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        門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2013-08-15 00:45:05趙曉陽
        中國建筑金屬結(jié)構(gòu) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:門式剛活荷載剛架

        趙曉陽,苗 春

        (城市建設(shè)研究院,北京 100120)

        1 工程概況

        以某工程成品倉庫門式剛架為例,簡要闡述輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些基本步驟和注意事項(xiàng)。該工程基本設(shè)計(jì)條件為抗震設(shè)防裂度為7度(設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g),Ⅳ類場地,基本風(fēng)壓0.55kN/m2, 地面粗糙度為B類。剛架抗震能力很強(qiáng),7度設(shè)防時(shí)一般不需做抗震驗(yàn)算。

        成品倉庫全長105m,雙坡雙跨,單坡跨度27m,雙跨總跨度54m,柱距7.5m,無吊車,檐口高度10.5m。門式剛架變形能力強(qiáng)可以有效的抵御地震作用,但在使用荷載作用下產(chǎn)生的位移較大,因此不適宜安裝起重量過大的吊車,通常采用重量不大于3t的懸掛式吊車起。本項(xiàng)目無吊車,所以柱腳采用鉸接,斜梁坡度1/15。

        2 結(jié)構(gòu)體系

        為防止出入倉庫的叉車撞擊鋼柱和預(yù)防雨水侵入倉庫,沿廠房設(shè)置了1.2m高矮墻。鋼柱下設(shè)置1.2m高,與墻等高的混凝土短柱。注意在考慮基礎(chǔ)及短柱定位時(shí),應(yīng)事先計(jì)算上部門式剛架的鋼柱尺寸,保證鋼柱柱腳中心與混凝土短柱中心、基礎(chǔ)中心重合?;炷炼讨馄?yīng)與墻外皮對(duì)齊,同時(shí)還應(yīng)考慮到輕型鋼墻板的布置。

        在本次成品倉庫設(shè)計(jì)中,成品庫建筑面積較大,超出國家防火要求,而且近期有事故表明,如果成品倉庫的防火分區(qū)設(shè)置不當(dāng),當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)火情串聯(lián),難以保證人身和財(cái)產(chǎn)的安全,故建筑專業(yè)要求在成品庫內(nèi)設(shè)置防火墻,保證防火分區(qū)??紤]到門式剛架結(jié)構(gòu)在受到風(fēng)荷載等外部荷載時(shí)變形比較大,如把防火墻置于鋼柱間,則墻體將大大阻礙門式剛架的整體變形,對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)不利,所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮把防火墻置于鋼柱外皮布置,且與鋼柱間距50mm左右的距離以確保門式剛架的變形要求。在鋼柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置鋼筋砼構(gòu)造柱,構(gòu)造柱與砌體墻之間按《砌體規(guī)范》設(shè)置拉接筋,構(gòu)造柱與鋼柱之間采用兩塊鋼板,利用長螺栓孔連接,以保證砌體墻沿墻軸線方向變形自由。

        3 荷載選取

        3.1 屋面恒荷載

        屋面梁計(jì)算恒荷載包括屋面板荷載、檁條荷載、支撐自重、風(fēng)機(jī)或氣樓荷載等。在檁條計(jì)算時(shí)恒荷載包括屋面板荷載、拉條自重等。本成品倉庫屋面梁恒荷載經(jīng)過計(jì)算取用0.3kN/m2。

        根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)規(guī)定活荷載為0.5kN/m2,當(dāng)受荷水平投影面積大于60m2時(shí)可乘以折減系數(shù),此時(shí)活荷載可取0.3kN/m2,檁條計(jì)算活荷載為0.5kN/m2。計(jì)算時(shí)需要注意屋面活荷載與雪荷載不同時(shí)疊加,風(fēng)荷載和地震力不同時(shí)考慮,本項(xiàng)目基本雪壓為0.2kN/m2小于活荷載,故在計(jì)算屋面鋼梁時(shí)活荷載選用0.3kN/m2,檁條活荷載選用0.5kN/m2。

        3.2 風(fēng)荷載

        風(fēng)荷載也是決定門式剛架鋼梁、檁條截面和穩(wěn)定的又一重要因素,需要注意的是在計(jì)算鋼梁、檁條時(shí)應(yīng)按照門式剛架技術(shù)規(guī)程附錄A的規(guī)定分中間區(qū),邊緣帶等分別進(jìn)行計(jì)算,并注意基本風(fēng)壓要乘以1.05安全系數(shù),這里有別于荷載規(guī)范,在取用風(fēng)荷載體型系數(shù)時(shí)要注意剛架的適用條件。在風(fēng)吸力作用下要考慮檁條的穩(wěn)定性,當(dāng)檁條下翼緣受壓時(shí)要采取措施抵抗側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。

        4 門式剛架的計(jì)算

        4.1 計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)

        成品倉庫門式剛架的計(jì)算,采用PKPM系列軟件的STS中門式剛架計(jì)算程序,需要注意以下幾點(diǎn):

        (1)運(yùn)用門式剛架二維設(shè)計(jì),分別對(duì)邊跨和中間跨兩榀剛架進(jìn)行計(jì)算,梁柱變截面構(gòu)件楔率應(yīng)小于60mm/m。

        (2)本工程屋面坡度要求1/15,斜梁設(shè)計(jì)為楔形,外形與彎矩包絡(luò)圖基本保持一致。

        (3)考慮運(yùn)輸、吊裝、經(jīng)濟(jì)等因素,一般要求斜梁構(gòu)件長度在9~12m之間,斜梁應(yīng)分段采用摩擦型高強(qiáng)螺栓拼接,拼接點(diǎn)盡量設(shè)在彎矩較小處,并避開頂部檁條及腹部支撐位置。

        (4)梁端設(shè)置為鉸接,梁、柱的平面外計(jì)算長度取側(cè)向支撐點(diǎn)的距離,當(dāng)兩翼緣側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離不等時(shí),應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離。

        (5)鉸接構(gòu)件設(shè)置選項(xiàng)中,柱腳應(yīng)設(shè)置為鉸接。

        4.2 對(duì)于變形的控制

        參數(shù)輸入中輸入變形參數(shù),成品庫剛架斜梁僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條,其撓度限值為L/180。成品倉庫不設(shè)置吊車且采用輕型鋼墻板,所以柱頂位移設(shè)計(jì)值的限值為h/60。對(duì)于整體剛架而言,由于柱腳的嵌固作用、壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)等因素影響,門式剛架的實(shí)際位移一般都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。本工程的情況剛架柱腳為鉸接,若按位移控制值設(shè)計(jì)時(shí),剛架柱頂?shù)膶?shí)際位移僅為設(shè)計(jì)值的一半左右。

        4.3 設(shè)計(jì)計(jì)算中的注意事項(xiàng)

        在設(shè)計(jì)計(jì)算中有一點(diǎn)需要注意,《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.2.4側(cè)移計(jì)算時(shí),計(jì)算長度L=2s;而在6.1.3穩(wěn)定計(jì)算時(shí),計(jì)算長度L=s。對(duì)于這兩處計(jì)算長度不同的解釋是:5.2.4計(jì)算長度指側(cè)移時(shí)搖擺柱不起作用,因此L即為全跨,四跨時(shí)L=4s;規(guī)程6.1.3計(jì)算長度指柱的穩(wěn)定,搖擺柱使約束梁彎曲,且對(duì)柱的穩(wěn)定有幫助,因此不論二跨還是四跨均取L=s。

        5 支撐的布置

        對(duì)于門式剛架整體穩(wěn)定來說,支撐布置是不可缺少的一部分。支撐布置時(shí)需要注意:

        (1)在每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中,應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。其中,縱向溫度區(qū)段小于300m,橫向溫度區(qū)段小于150m。

        (2)由于本項(xiàng)目對(duì)支撐布置的位置無特殊要求,所以在第一跨設(shè)置柱間支撐,同時(shí)在設(shè)置柱間支撐的跨中設(shè)置屋蓋橫向支撐。又因?yàn)閷?duì)于無吊車門式剛架柱間支撐的間距取30~45m,所以在不影響使用的情況下,在間距所允許范圍內(nèi)也要設(shè)置屋蓋及柱間支撐。注意在中間柱的相應(yīng)位置也應(yīng)該設(shè)置柱間支撐,以保證門式剛架的整體剛度。

        (3)為保證成品倉庫的整體穩(wěn)定,在剛架的轉(zhuǎn)折處如邊柱、柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂,沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)計(jì)算剛性系桿的穩(wěn)定和長細(xì)比。此處的剛性系桿也可由檁條兼做,此時(shí)檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求,當(dāng)不滿足時(shí)可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

        6 檁條的設(shè)計(jì)

        檁條選用Q235級(jí)B型冷彎薄壁型鋼,撓度按L/150控制。不應(yīng)采用Q235A級(jí)鋼,主要是由于其含碳量不能保證焊接要求。

        檁條的計(jì)算采用STS軟件工具箱中的簡支檁條設(shè)計(jì),相對(duì)于連續(xù)檁條的做法,按簡支設(shè)計(jì)更偏于安全,屋面壓型鋼板為單層鋼板,不考慮其對(duì)檁條上、下翼緣失穩(wěn)的限制作用。注意拉條應(yīng)設(shè)在檁條上翼緣1/3腹板高度范圍,當(dāng)在風(fēng)吸力作用下檁條下翼緣受壓時(shí),拉條應(yīng)在檁條上下翼緣附近適當(dāng)布置,即采用雙拉條。拉條的設(shè)置可以有效的控制檁條的穩(wěn)定,從而減少檁條的用鋼量。

        7 門式剛架優(yōu)選方案

        設(shè)計(jì)人員在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下,應(yīng)盡可能的節(jié)約成本,這就要求在確定方案時(shí)既要符合建筑使用要求,又要考慮建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

        門式剛架在前期方案確定時(shí),應(yīng)根據(jù)房屋高度確定合理的跨度,門式剛架適用在跨度9~36m,高度4.5~9m的地方。根據(jù)多次試算,在檐口高度、柱距、荷載均相同的條件下,適當(dāng)加大跨度,剛架的用鋼量增加并不明顯,但釋放空間,相對(duì)造價(jià)低,綜合效益較為可觀。

        柱距應(yīng)與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等相匹配,當(dāng)剛架跨度較小時(shí),選用較大的柱距,會(huì)增加檁條的用鋼量。規(guī)范規(guī)定剛架柱距宜為6m、7.5m、9m,當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值后,剛架用鋼量變化較為平緩,而檁條、墻梁的用鋼量會(huì)隨著柱距增大而大幅增加,就整體結(jié)構(gòu)的總用鋼量而言,在一定條件下,門式剛架存在著最優(yōu)柱距。通過調(diào)整計(jì)算可以得出一些優(yōu)化的柱距與跨度間的關(guān)系。跨度為12~18m時(shí),柱距宜選用6m;跨度為18~27m時(shí),柱距宜選用7.5m;跨度為27~36m時(shí),柱距宜選用9m。一般情況下,門式剛架的柱距應(yīng)在6~9m之間,超過9m時(shí),屋面檁條與墻架體系的用鋼量會(huì)大幅增加,綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。

        [1] 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.(CECS102:2002).

        [2] 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》.(GB50018-2002).

        [3] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》.(GB50017-2003).

        [4] 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》.(GB50009-2012).

        [5] 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》.(GB50011-2010).

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