劉金瑤 彭曉闖

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

1 工程概況

該工程為農(nóng)作物栽培與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，主要包括三部分內(nèi)容：軌道部分、鋼架結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)。Ⅰ段(外側(cè))軌道長(zhǎng)27.75 m，Ⅱ段(內(nèi)側(cè))軌道長(zhǎng)40.8 m，軌道采用條形基礎(chǔ)梁式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)梁下做300 mm厚灰土墊層。鋼架采用鋼管桁架拱。桁架拱Ⅰ段：跨度16.2 m，共五榀，長(zhǎng)12.4 m；桁架拱Ⅱ段：跨度15.4 m，共五榀，長(zhǎng)12.4 m。旱棚屋面采用雙層PC陽光板，墻面板采用PC耐力板。該構(gòu)筑物桁架拱Ⅰ,Ⅱ段置于鋼軌上，可沿鋼軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的開啟和閉合。該構(gòu)筑物設(shè)計(jì)使用年限20年，安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)丙級(jí)，基本風(fēng)壓(重現(xiàn)期20年)0.345 kN/m2，風(fēng)振系數(shù)取1.5，基本雪壓(重現(xiàn)期20年)0.295 kN/m2。

該工程依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，JGJ/T 249—2011拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，JGJ/T 251—2011建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

在設(shè)計(jì)過程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題總結(jié)如下：

1)鋼構(gòu)架實(shí)現(xiàn)整體開合移動(dòng)；

2)風(fēng)荷載作用下整體鋼構(gòu)架穩(wěn)定，及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全；

3)屋面排水問題。

2.1 鋼管桁架拱平立面布置

鋼管桁架拱式樣見圖1，桁架拱Ⅰ段跨度16.2 m，拱高400 mm，矢高2 025 mm；桁架拱Ⅱ段跨度15.4 m，拱高400 mm，矢高1 925 mm。如圖2所示為桁架拱Ⅰ，Ⅱ段布置圖，圖2中所示HJ2，HJ4為山墻側(cè)桁架拱榀。閉合時(shí)Ⅰ段為外桁架拱，Ⅱ段為內(nèi)桁架拱。Ⅰ,Ⅱ段桁架拱構(gòu)件均采用熱軋無縫鋼管，上弦桿截面為φ76×4.0；下弦桿截面為φ76×4.0；腹桿截面為φ32×2.5；鋼柱部分豎直桿為主桿，貫通布置，采用熱軋無縫鋼管，截面為φ152×10.0；斜弦桿截面為φ76×4.0；腹桿截面為φ32×2.5。主檁支承于上弦桿節(jié)結(jié)上，檁距斜向約1 534 mm，上下弦支撐布置見圖3,圖4。

2.2 鋼架支撐體系

圖3～圖5為桁架拱支撐布置圖，上弦屋檁兼水平支撐作用。柱間支撐采用十字交叉形式，截面為63×4等邊角鋼。柱頂水平向垂直桁架方向設(shè)置垂直支撐，采用φ32×2.5，與上下弦水平支撐構(gòu)成小桁架。

2.3 鋼管桁架拱強(qiáng)度計(jì)算

本工程采用3D3S建模計(jì)算，對(duì)鋼管桁架拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用單榀平面結(jié)構(gòu)模型。桿件采用梁?jiǎn)卧?；鋼材采用兩折線強(qiáng)化模型，強(qiáng)化模量取2%的彈性模量；邊界條件：支座一端鉸接，對(duì)X,Y,Z三個(gè)方向平動(dòng)約束，另一端Y,Z兩個(gè)方向平動(dòng)約束，X方向(拱架平面)平動(dòng)釋放。弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度取上下弦側(cè)向支撐間距。桿件邊界條件依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.1.4條規(guī)定確定，均按固結(jié)考慮。受壓桿件的容許長(zhǎng)細(xì)比180，一般受拉桿件的容許長(zhǎng)細(xì)比300，支座附近受拉桿件的容許長(zhǎng)細(xì)比250。計(jì)算結(jié)果顯示桿件最大應(yīng)力比為0.9。

2.4 鋼管桁架拱平面外整體穩(wěn)定計(jì)算

依據(jù)《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.1.4條，現(xiàn)平面外設(shè)置有足夠數(shù)量的支撐，能夠約束鋼拱截面的面外位移與扭轉(zhuǎn)。

2.5 拱桁架躍越屈曲

圖1,圖2為鋼架Ⅰ，Ⅱ段計(jì)算簡(jiǎn)圖，支座為鉸接支座，可簡(jiǎn)化為整體拱架，鋼架Ⅰ跨度為16.200 m，矢高為4.980 m，矢跨比0.31>0.2，可不計(jì)算躍越屈曲；鋼架Ⅱ跨度為15.400 m，矢高為4.080 m，矢跨比0.26>0.2，可不計(jì)算躍越屈曲。

2.6 山墻風(fēng)荷載傳力問題

桁架拱Ⅰ段山墻圍護(hù)構(gòu)件立面見圖6,圖7，為解決山墻處縱向水平風(fēng)荷載傳遞問題，山墻處采用矩形截面桁架榀，圖6中1—1，2—2剖面。圖7中虛線矩形框?yàn)榭砷_啟軸承窗。桁架拱Ⅱ段山墻處類同Ⅰ段，該文中不再贅述。

2.7 整體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下穩(wěn)定問題

該整體結(jié)構(gòu)通過12個(gè)輪(兩個(gè)主動(dòng)輪)擱置在軌道上，軌道可提供給結(jié)構(gòu)豎向支撐力及一定范圍內(nèi)的水平支撐力，不能提供豎向拉力，故在超過一定強(qiáng)度的風(fēng)荷載作用下，該結(jié)構(gòu)就會(huì)側(cè)翻，故在本結(jié)構(gòu)中增設(shè)了風(fēng)穩(wěn)器，風(fēng)穩(wěn)器間距不大于1.5 m，風(fēng)穩(wěn)器由鋼板(或槽鋼)及銷軸組成，銷軸采用圓鋼18(見圖8)；風(fēng)穩(wěn)器使用方式：銷軸穿過鋼板(槽鋼)、輕軌，并插上保險(xiǎn)銷。并在施工圖中明確提出了使用限定條件：旱棚Ⅰ，Ⅱ段在聚合、展開靜止使用狀態(tài)時(shí)，鋼架支座必須采用風(fēng)穩(wěn)器與輕軌連接；僅在無風(fēng)情況下可進(jìn)行展開、聚合移動(dòng)。

2.8 軌道、滑輪、動(dòng)力輪及限位裝置布置

圖9為旱棚滑輪的軌道布置圖，外側(cè)桁架拱Ⅰ段可活動(dòng)范圍為26.25 m,內(nèi)側(cè)桁架拱Ⅱ段可活動(dòng)范圍為36.35 m。軌道基礎(chǔ)見圖10，輕軌與基礎(chǔ)預(yù)埋件焊接連接，埋件間距為300。旱棚軌道采用熱軋輕軌，選用GB/T 11264—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，型號(hào)為24 kg/m，軌道輪直徑為150 mm，采用雙邊輪，輪邊厚不小于10，輪邊高不小于30，由甲方按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制作。在軌道盡端設(shè)置限位器，限位器采用16a槽鋼，呈U形，高160，與基礎(chǔ)面預(yù)埋件焊接連接。Ⅰ，Ⅱ段鋼架各自設(shè)置兩個(gè)動(dòng)力輪，分置于鋼架兩側(cè)，且采用聯(lián)動(dòng)控制，保證鋼架平穩(wěn)移動(dòng)。鋼架的啟閉應(yīng)由專人控制，保證使用安全。

2.9 排水問題

外側(cè)Ⅰ段鋼架的排水雙側(cè)檐溝內(nèi)雙坡排水；內(nèi)側(cè)Ⅱ段鋼架的排水為避免雨水匯聚浸漫鋼架，采用檐溝單坡排水,在閉合后尚外露側(cè)匯集設(shè)置落水管。在場(chǎng)體周邊鋼架外側(cè)設(shè)置通長(zhǎng)排水明溝，以使雨水順利排出場(chǎng)地。

2.10 防腐蝕問題

該工程為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)用構(gòu)筑物，依據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》及《日光溫室及塑料大棚結(jié)構(gòu)及性能要求》，本工程所用鋼管壁厚不大于2 mm時(shí)，內(nèi)外壁均需熱鍍鋅，鋅的厚度不應(yīng)小于85 μm，鍍鋅前后鋼管不得有裂縫，燒傷等影響強(qiáng)度的缺陷；鋼管壁厚大于2 mm時(shí)，按中度腐蝕等級(jí)、5年～10年防護(hù)層使用年限設(shè)置有200 μm厚防腐蝕涂料層。

3 結(jié)語

以上簡(jiǎn)單敘述了該可展開鋼結(jié)構(gòu)旱棚鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段著重考慮的主要問題，以及綜合考慮后得出的較為合理可行的解決辦法。