鐘敏君
(湖南省輕工紡織設(shè)計院有限公司,湖南 長沙 410005)
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)得到了迅猛的發(fā)展。它具有工業(yè)化程度高、施工周期快、環(huán)境污染低等優(yōu)點,在工業(yè)廠房、倉庫、體育場館等建筑中應(yīng)用十分廣泛。但是在門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中,很容易因為各種特殊因素的影響,導致整體結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復雜[1]。
因此,研究分析門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。
與傳統(tǒng)的屋架結(jié)構(gòu)相比,門式剛架結(jié)構(gòu)本身的截面尺寸較小,可以充分利用建筑的內(nèi)部空間,減少建筑的建筑面積。此外,剛架結(jié)構(gòu)本身的鋼度更強,便于運輸、制造和安裝,同時還具有較高的經(jīng)濟效益,其主要特點體現(xiàn)在以下幾個方面:
所有構(gòu)件都可以提前在工廠進行預(yù)制,然后在建筑施工現(xiàn)場進行拼接安裝[2]。再加上門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)本身重量較輕,在施工過程中安裝較為簡便,有效的縮短了建筑的施工周期。
相比較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)本身的截面積較低,可以有效的提高建筑物內(nèi)部的有效利用面積,且能夠滿足建筑物大跨度的要求,可以降低建筑物裝修的費用支出,再加上鋼材本身的價格較低,采用門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)具有較高的空間利用率和經(jīng)濟效益[3]。
當建筑物本身需要拆遷時,門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)可以快速的拆遷,且鋼材本身可以進行回收重復利用,減少了對周圍環(huán)境的污染,符合當前綠色環(huán)保的發(fā)展理念。
門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要是由三部分組成,包括主體承重結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)以及輔助結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)可以分為單跨、雙跨、多跨等多種結(jié)構(gòu)形式。一般情況下,單跨結(jié)構(gòu)是用于跨度低于24米的房屋建筑,而雙跨和多跨結(jié)構(gòu)則適用于跨度高于24米的情況。
對于門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)而言,柱網(wǎng)布置的合理性關(guān)系著整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量。首先如果房屋本身的平面面積較大,應(yīng)重視溫度區(qū)段的控制,確??v向的溫度區(qū)段低于300米,橫向的溫度區(qū)段低于150米。其次對于多跨門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu),為了滿足建筑物的功能需求,可能需要減少部分邊柱或者中間柱時,可以在設(shè)計時,通過臨柱的設(shè)計,實現(xiàn)托梁。最后在進行屋面檁條布置時,應(yīng)綜合考慮房屋的采光、通風屋脊等因素,對檁條的間距進行合理設(shè)計。
作為整個房屋結(jié)構(gòu)中次要承重結(jié)構(gòu),檁條是傳遞屋面荷載到剛架的中間結(jié)構(gòu)。通常情況下,應(yīng)結(jié)合屋面本身的荷載大小以及施工材料的力學性能,對相鄰檁條的間距進行確定。如果本身門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的單跨跨度較小,可以適當降低相鄰檁條的間距,反之可以適當增大相鄰檁條的間距。
支撐系統(tǒng)可以有效提高門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體性,確保鋼結(jié)構(gòu)體系受力均衡,確保整個建筑物的穩(wěn)定性。尤其是柱間支撐的設(shè)計,它不僅可以有效保障鋼架本身的縱向剛度和整體穩(wěn)定性,而且承受了吊車的水平荷載以及風荷載。因此,應(yīng)將柱頂?shù)乃较禇U設(shè)計成剛性系桿,從而確保屋蓋水平支撐的荷載可以有效的傳遞到柱間支撐上。
門式剛架輕型房屋的鋼結(jié)構(gòu)主要包含柱腳、斜梁與柱、斜梁與斜梁之間的節(jié)點設(shè)計。
(1)柱腳節(jié)點設(shè)計:針對一般的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu),可以采用平板式鉸接柱腳,如果結(jié)構(gòu)相對復雜或者有特殊要求時,可以采用剛接的節(jié)點形式,從而減少柱頂可能出現(xiàn)的位移,確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。
(2)斜梁與柱的設(shè)計:在進行斜梁與柱接點設(shè)計時,為了確保接點本身的剛度,提高彎矩傳遞的有效性,應(yīng)采用剛接的方式。
(3)斜梁與斜梁的設(shè)計:該處接點可以選擇無基礎(chǔ)拼接或者梁拼接接點的方式進行連接,前者又可以成為脊節(jié)點,有助解決鋼結(jié)構(gòu)屋面的坡度變化,而后者可以解決鋼結(jié)構(gòu)本身跨度較大時,斜梁的運輸問題,常應(yīng)用于彎矩比較小的斜梁連接區(qū)域。
某工業(yè)廠房建筑項目,采用單層雙跨門式輕型鋼結(jié)構(gòu),屋面采用檁條并上鋪彩色鋼板,廠房外圍護墻則采用彩色鋼板架設(shè)。建筑面積約為7328平方米,設(shè)計使用年限為50年。由于本工業(yè)廠房本身工藝布置的要求,需要較大的操作空間,因此采用門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(如圖1)設(shè)計時,抽去了部分剛架中間的立柱,為了確保整體工程的安全性和穩(wěn)定性,采用了以下優(yōu)化設(shè)計方案。
作為超靜定結(jié)構(gòu),在對門式剛架結(jié)構(gòu)本身進行內(nèi)力計算時,結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)布置情況以及復雜程度,彈性的進行內(nèi)力的計算分析。本工程在進行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)分析時,暫不考慮蒙皮效應(yīng)的影響,對整個結(jié)構(gòu)進行簡化處理,劃分為橫向的剛架體系以及柱間支撐體系兩部分。其中橫向水平剛架體系,主要是對豎向恒載和橫向水平恒載進行支撐,而支撐體系主要承擔的是縱向的水平荷載。
圖1 本工程結(jié)構(gòu)示意圖
由于為了滿足工藝布置的要求,部分剛架沒有設(shè)置中柱,所以本工程的整體剛架平面模型可以劃分為兩種,一種是普通的榀剛架,另外一種則是抽柱榀剛架。其中第1軸到7軸以及第20軸為普通的榀剛架,剩余8軸到19軸則為抽柱榀剛架(如圖2)。
圖2 抽柱門式剛架示意圖
為了減少抽柱所導致的安全性和穩(wěn)定性問題,對8軸到19軸處柱列增設(shè)了縱向剛架,代替柱子本身的支撐作用。同時在進行平面模型計算時,將此處的托梁當做具有一定剛度的彈性支座,實現(xiàn)對抽柱榀剛架的支撐,將復雜的空間問題簡化成平面問題。
(1)普通榀剛架:通過對普通榀剛架的水平位移和受彎剛架斜梁的撓度驗算,本工程剛架的柱頂?shù)奈灰频陀趆/60,載加活載作用下的允許撓跨比為1/186,均滿足相關(guān)規(guī)范要求。
(2)抽柱榀剛架:相比較普通榀剛架,抽柱榀剛架對風荷載敏感度更高,且其剛架抽柱處的梁撓度更大,因此必須通過科學的設(shè)計和計算,來確保抽柱榀剛架的水平位移和受彎剛架斜梁的撓度滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過對本工程抽柱榀剛架的分析檢查,相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計均未超過相關(guān)規(guī)范要求,抽柱榀剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計符合工程要求。
在支撐系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)確保當風荷載作用到房屋上時,抗風柱可以有效的將力傳遞給屋面支撐,水平荷載的作用力傳導,則是由屋面支撐傳遞到柱間支撐,最后傳遞給地基基礎(chǔ),同時屋面支撐也承擔了縱向地震力的力學傳遞。通過有效的設(shè)計,明確各結(jié)構(gòu)的傳力途徑,有助于提高整體結(jié)構(gòu)的剛度,避免出現(xiàn)壓桿側(cè)向失穩(wěn)問題。
(1)屋面水平支撐設(shè)計:由于本工程存在部分抽柱情況,導致抽柱區(qū)域的抗側(cè)剛度不足,一旦水平荷載較大,可能導致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移問題,嚴重影響房屋本身的穩(wěn)定性。因此在進行屋面水平支撐設(shè)計時,為了確保屋蓋本身的剛性,增設(shè)了縱向支撐來實現(xiàn)水平荷載的有效分配,增強各剛架之間的約束力,提高房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)計算,選用了25的圓鋼作為屋面水平支撐的材料。
(2)柱間支撐設(shè)計:柱間支撐的作用在于提高整體結(jié)構(gòu)的縱向剛度,從而有效抵抗風荷載和地震荷載的作用力。本工程為了避免因為抽柱導致的抗側(cè)剛度減弱,在托梁的兩端增設(shè)了柱間支撐(如圖3),來平衡結(jié)構(gòu)的縱向剛度,避免位移出現(xiàn)導致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。同時采用十字交叉性柱間支撐設(shè)計,來提高柱間支撐的穩(wěn)定性。
圖3 屋面梁與托梁連接節(jié)點示意圖
綜上所述,隨著門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的日漸廣泛,極大的推動了我國建筑行業(yè)的發(fā)展。本文結(jié)合實例分析門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的具體方法,通過將空間結(jié)構(gòu)簡化成平面模型,采取了有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計解決了抽柱問題對整個房屋鋼結(jié)構(gòu)的影響,提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,減少了側(cè)移剛度不足所造成的影響。
因此,相關(guān)工作者必須積極提高自身的專業(yè)素質(zhì)能力,科學合理的進行門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計,推動我國建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。