王秀英
摘要: 輕鋼結(jié)構(gòu)市場競爭日益激烈,經(jīng)濟合理的用鋼量越來越受到關(guān)注,而研究表明經(jīng)濟合理的用鋼量和柱網(wǎng)的選擇有極為密切的關(guān)系。本文根據(jù)筆者根據(jù)自身從事多年鋼結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)驗結(jié)合實際工程,對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的經(jīng)濟跨度與柱距選擇問題從設計用鋼量的角度作了較詳細的研究討論。
關(guān) 鍵 詞:門式剛架 跨度 柱距 經(jīng)濟
中圖分類號:TV332.13文獻標識碼:A 文章編號:
Abstract:Light steel structure market competition is increasingly intense, economic and reasonable quantity of steel has been paid more and more attention, but research shows that reasonable amount of steel and column selection has very close relationship. In this paper, according to the author according to own for many years engaged in steel structure design experience combined with practical engineering, the portal frame light steel structure housing the economic span and column selection from the quantity of steel of the design are studied in detail discussed.
Key Words: Portal frame; Span; Column space; Economics
前 言
門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是指以輕型焊接H形鋼(等截面或變截面)、熱軋H形鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架,用冷彎薄壁型鋼(槽形、Z形等)做檁條、墻梁;以壓型金屬板(壓型鋼板、壓型鋁板)做屋面、墻面;采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。在目前的工程實踐中,門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構(gòu)件,單跨剛架的梁柱節(jié)點采用剛接,多跨者大多剛接和鉸接并用;柱腳可與基礎剛接或鉸接;圍護結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板;保溫隔熱材料多采用玻璃棉。
近二十多年來,隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展,由于生產(chǎn)的需要,這類結(jié)構(gòu)以其用鋼量低,重量輕,造價低,適用范圍廣等優(yōu)點而獲得廣泛的應用。不僅國外的輕鋼生產(chǎn)廠家紛紛將整套的廠房結(jié)構(gòu)體系推向國內(nèi)市場,國內(nèi)的輕鋼生產(chǎn)廠家、設計單位也也紛紛轉(zhuǎn)向這類結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和設計。
但是,由于我國目前還沒有專門的輕鋼設計規(guī)范,僅1996年由中國工程建設標準化協(xié)會編制了《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:98后修訂為2002版),對低層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑做了較為粗糙的規(guī)范。許多設計院的工程師對《規(guī)程》仍持謹慎態(tài)度,在結(jié)構(gòu)設計中對《規(guī)程》界定較模糊的條款仍沿用現(xiàn)行的普通《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017-2003)來進行門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設計和計算,使得設計用鋼量指標高攀不下;而另一些鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家的結(jié)構(gòu)工程師沒有完全吃透《規(guī)程》的適用條件,在沒有充分理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗的情況下,一味地追求低用鋼量而造成事故。因此,筆者通過一個具體工程的設計實例,做了大量設計方案的計算分析,結(jié)合自身設計經(jīng)驗,對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟柱網(wǎng)選擇問題做較為系統(tǒng)的研究,和同行們共同探討。
1計算與分析
結(jié)構(gòu)設計中的柱網(wǎng)的平面布置首先取決于工藝要求,然后在工藝要求允許的前提下選擇合理的跨度與柱距。對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)而言,任何一項設計,其設計用鋼量的多少是評價設計優(yōu)劣的一項重要指標,而設計用鋼量和柱距的大小是密切相關(guān)的。
傳統(tǒng)工業(yè)設計中將柱網(wǎng)模數(shù)定為3m(常用3m,6m,9m,12m等),這是因為廠房的實際用鋼量及費用還與鋼材的供應情況(品種規(guī)格)、構(gòu)件標準化程度等密切相關(guān)。有時因材料替代及非標準構(gòu)件的采用而造成的額外耗鋼還相當可觀。離開了柱距模數(shù),構(gòu)件的標準化是無從談起的。當然,門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋有自己的特點,柱距可以是7m、7.5m、8m等等??缍鹊撵`活性則更大,設計中可采用新的模數(shù)化(定為1.5m)柱網(wǎng),以追求較低的用鋼量指標。
某工廠1#生產(chǎn)車間工程,寬度方向90m;長度方向180m,檐口高度7m。撇開工藝要求不講,單純以研究角度設計柱網(wǎng)尺寸。主要考慮跨度:15m*6跨、18m*5跨、22.5m*4跨、30m*3跨、45m*2跨,共5種;及柱距為3m、6m、7.5m、9m、12m、15m、18m,共計7種的情況。對主剛架和次構(gòu)件做了5*7合計35種組合的分析計算,以及7種柱距情況下的檁條計算。
設計計算時采用以下參數(shù):
屋面恒荷載:0.20kN/m2;
屋面活荷載:0.30kN/ m2 用于驗算鋼架、0.50kN/ m2 用于驗算檁條;
風載:0.60kN/ m2,地面粗糙度為B類,近似取高度變化系數(shù)為1.0;
雪荷載: 0.20kN/m2,考慮屋面坡度1:20,α<15°取屋面積雪分布系數(shù)為1.0。
抗震設防烈度:6度,設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第二組,Ⅱ類場地土。
鋼材:梁柱等焊接型鋼采用Q345-B鋼,冷彎薄壁檁條采用Q345-A鋼,次構(gòu)件采用Q235-B鋼。
當柱距小于15m時屋面檁條采用冷彎薄壁型鋼;當柱距為18m時屋面檁條采用高頻焊接H型鋼。當柱距小于12m時墻面不設置構(gòu)造墻柱;當柱距為15m時,中間7.5m處設置一個構(gòu)造墻柱;當柱距為18m時,中間9m設置一個構(gòu)造墻柱,構(gòu)造墻柱及支撐構(gòu)造墻柱的檐口桁架的用鋼量均計入檁條范籌。
本次結(jié)構(gòu)分析采用中國建科院STS軟件輔助計算,各構(gòu)件最危險截面考慮穩(wěn)定后最大應力(折算應力)控制在設計值的95%以下,各種跨度條件下,各單項用鋼量及總用鋼量隨柱距的變化情況如圖1—圖5所示。
圖1圖2
圖3 圖4
圖5
從以上圖中可以看出:
對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系而言,主鋼構(gòu)用鋼量是最主要的,當柱距較小時,剛架用鋼量甚至占總用鋼量的50%以上,而其它檁條和次鋼構(gòu),其用鋼量只占比例較小的一部分,因此,如何設計好門式剛架對降低總用鋼量具有重要意義。
隨著柱距的增大,作為整個廠房結(jié)構(gòu)“用鋼量大戶”的剛架,其用鋼量比率是逐漸下降的,并且隨柱距的增加,下降的幅度逐漸趨于平緩。
檁條與次鋼構(gòu)的用鋼量均隨柱距的增加而增加,并且增幅越來越大,當柱距增大到某一個值時,其用鋼量逐漸占主要地位,并最終超過了剛架的用鋼量。