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        通風(fēng)機(jī)房鋼屋架改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例研究

        2023-08-24 08:17:02左奎現(xiàn)
        山東煤炭科技 2023年7期
        關(guān)鍵詞:檁條鋼梁撓度

        左奎現(xiàn)

        (通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,山東 濟(jì)南 250023)

        1 工程概況

        山西蘭花集團(tuán)沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目的通風(fēng)機(jī)房為地上一層,建筑高度10.5 m,抗震設(shè)防烈度為7 度,基本地震加速度值為0.1 g,設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場(chǎng)地類(lèi)別為I 類(lèi),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,抗震等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)體系為排架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)。原有屋面結(jié)構(gòu)為雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu),網(wǎng)架平面尺寸:13 m×15 m,覆蓋面積:195 m2。

        為了進(jìn)一步提高屋面改造工程在設(shè)計(jì)時(shí)的安全性和經(jīng)濟(jì)性,結(jié)合已有研究成果及實(shí)際所設(shè)計(jì)的山西蘭花集團(tuán)沁裕煤礦有限公司礦井兼并重組整合項(xiàng)目-通風(fēng)機(jī)房屋面改造項(xiàng)目,對(duì)此類(lèi)鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)等方面進(jìn)行研究[1-6],研究成果可為此類(lèi)鋼屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供重大借鑒意義[7-8]。

        1.1 改造范圍及材料選擇

        由于鋼結(jié)構(gòu)屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的成本較高,現(xiàn)將通風(fēng)機(jī)房鋼屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改建為鍍鋅壓型鋼板YX35-125-750(V125),屋面坡度為5%。屋面改造工程在既有的混凝土柱及柱頂預(yù)埋件的基礎(chǔ)上進(jìn)行,本次改建后的材料選擇及平面布置如下:

        1)改造后的屋面坡度較小,屬于不上人屋面,屋面荷載較小。因此,通風(fēng)機(jī)房的屋面起坡材料選用冷彎薄壁卷邊槽鋼(C 形)檁條,檁條型號(hào)為C200X75X20X2.5,檁條之間通過(guò)拉條連接。

        2)改造后的屋面結(jié)構(gòu)采用H 型鋼梁,主梁結(jié)構(gòu)為HN500X200X10X16,次梁結(jié)構(gòu)為HN350X175X7X11。

        3)原有網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)用鋼量較大,加工制作費(fèi)用較高,應(yīng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求,屋面結(jié)構(gòu)改為鍍鋅壓型鋼板。

        1.2 方案設(shè)計(jì)

        屋架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置如下所述:

        1)主梁結(jié)構(gòu)、混凝土柱通過(guò)螺栓與原有的預(yù)埋件連接在一起,次梁搭接在主梁上??紤]到地震時(shí)主梁結(jié)構(gòu)與預(yù)埋件會(huì)發(fā)生錯(cuò)位等情況,在次梁之間設(shè)置水平支撐以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。廠房結(jié)構(gòu)平面圖如圖1。

        圖1 廠房結(jié)構(gòu)平面圖(mm)

        2)檁條的布置、連接。由于檁條跨度L≥6 m,因此,檁條在跨度1/3 處各設(shè)置一道圓鋼拉條(拉條直徑為12 mm);檁條通過(guò)檁托與H 型鋼梁連接,以達(dá)到屋面起坡的目的;檁條與檁托之間通過(guò)螺栓連接。

        3)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。受原有預(yù)埋件的影響,主梁結(jié)構(gòu)的布置位置與尺寸大小、螺栓的布置與尺寸大小受限;梁—柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、梁—梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、檁條的選擇等。

        2 設(shè)計(jì)分析

        2.1 檁條、拉條、撐桿設(shè)計(jì)

        2.1.1 截面及材料特性

        檁 條 形 式:卷 邊 槽 形 冷 彎 型 鋼C250X75X20X2.5,b=75.000,h=250.000,c=20.000,t=2.500,A=0.1048E-02,Ix=0.9523E-05,Iy=0.7131E-06,It=0.2184E-08,Iw=0.8416E-08,Wx1=0.7619E-04,Wx2=0.7619E-04,Wy1=0.3686E-04,Wy2=0.1281E-04。鋼材鋼號(hào):Q235 鋼。

        2.1.2 截面驗(yàn)算

        1)使用階段

        ① 1.3 恒載+1.5(活載+0.9 積灰+0.6 風(fēng)載(壓力))組合

        截面強(qiáng)度驗(yàn)算,由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得:σmax= 158.940 N/mm2<205.000 N/mm2,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        式中:Mx、My分別為剛度最大主平面和剛度最小主平面的彎矩;Wenx、Weny分別為對(duì)主軸x、y的有效截面模量。

        ② 1.0 恒載+1.5 風(fēng)載(吸力)組合

        截面強(qiáng)度驗(yàn)算,由公式σ=Mx/Wenx+My/Weny得:σmax= 81.990 N/mm2<205.000 N/mm2,檁條穩(wěn)定性;由 公 式σ=Mx/(φbx·Wex)+My/Wey得:σ=189.734 N/mm2<205.000 N/mm2,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        式中:Wex、Wey分別為對(duì)主軸x、y的有效截面模量;φbx為受彎構(gòu)件繞強(qiáng)軸的整體穩(wěn)定系數(shù)。

        2)施工階段

        ① 1.3 恒載+1.5 施工荷載組合

        由強(qiáng)度計(jì)算公式得:σmax=79.840<205.000,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        ② 荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,撓度計(jì)算

        由 公 式v=(5/384)·(pkyl4/EIx)計(jì) 算 得:v=14.984<32.500,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        式中:pky為沿y軸線荷載的標(biāo)準(zhǔn)值;Ix為對(duì)主軸的毛截面慣性矩。

        2.1.3 檁條、拉條及撐桿布置

        本工程的跨度L>6 m,在檁條跨度的三分點(diǎn)處各設(shè)置一道拉條,在檐口處設(shè)置斜拉條和撐桿,拉條規(guī)格為Φ14 mm(M12)、撐桿規(guī)格為Φ14 mm(M12)+Φ32X3。屋面的起坡高度主要通過(guò)檁托和檁條,其中,檁托選用140 mm×140 mm×5 mm的方鋼,檁條、拉條及撐桿的布置如圖2、圖3。

        圖2 檁條平面圖(mm)

        圖3 屋架結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

        2.2 主次梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.2.1 內(nèi)力分析

        采用PKPM 軟件對(duì)主次梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析,計(jì)算得到的受力情況如圖4。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

        圖4 彎矩圖(kN·m)

        1)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

        由圖4 可知,各鋼梁結(jié)構(gòu)的跨中彎矩值最大,其中,鋼梁型號(hào)為HN500X200X10X16 的彎矩最大值為259 kN·m,鋼梁型號(hào)為HN375X175X7X11 的彎矩最大值為89 kN·m。

        由公式Mmax/γxWx≤f計(jì)算各鋼梁的抗彎強(qiáng)度。

        滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        2)撓度驗(yàn)算

        由圖5 可知,各鋼梁結(jié)構(gòu)的跨中撓度最大,其中,鋼梁型號(hào)為HN500X200X10X16 的撓度最大值為27.86 mm;鋼梁型號(hào)為HN375X175X7X11 的撓度最大值為10.35 mm。

        圖5 彎矩圖(kN·m)

        HN500X200X10X16 鋼梁的撓度:

        ω=27.86 mm <l/250=52 mm

        滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        HN500X200X10X16 鋼梁的撓度:

        ω=10.35 mm <l1/250=30 mm

        滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        2.2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

        根據(jù)原有屋架原有預(yù)埋件的情況,設(shè)計(jì)壓型鋼板屋面的鋼梁與混凝土柱的連接位置及方式。連接件最小板厚大于等于14 時(shí)用對(duì)接焊縫,其余用角焊縫滿(mǎn)焊,焊縫高度取被焊件最小厚度減 1~2 mm,且不小于 8 mm。當(dāng)被焊件厚度小于 6 mm 時(shí),焊縫高度取被焊件厚度,焊縫一律滿(mǎn)焊。焊接連接的構(gòu)件選用Q235 鋼,對(duì)焊接構(gòu)件鋼材尚須保證碳的極限含量。焊縫質(zhì)量等級(jí):對(duì)接焊縫為二級(jí),角焊縫外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合三級(jí)。梁、柱連接詳圖如圖6、圖7。

        圖6 梁、柱連接詳圖(mm)

        圖7 柱腳連接詳圖(mm)

        由圖可知,鋼梁HN500X200X10X16 通過(guò)U 形螺栓和預(yù)埋鋼板連接,鋼梁HN375X175X7X11 通過(guò)螺栓與鋼梁HN500X200X10X16 連接。其中,受到翼緣寬度的限值,U 形螺栓和鋼梁連接時(shí)的邊距超出規(guī)范規(guī)定的最小容許間距限值2d0,此處采取的處理方式為在鋼梁的兩側(cè)對(duì)接一塊等厚的鋼板以增加翼緣寬度。鋼梁和鋼梁連接螺栓的選擇根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇,即:

        螺栓的抗剪承載力大于所受剪力5.25 kN,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        式中:nv為受剪面數(shù)目;d為螺栓的直徑,mm;為螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,螺栓連接或拼接節(jié)點(diǎn)中,每一桿件一端的永久性的螺栓數(shù)不宜少于2 個(gè),所以本工程的鋼梁和鋼梁之間的連接選用2 個(gè)C 級(jí)M20 普通螺栓。

        3 結(jié)論

        1)鍍鋅壓型鋼板屋面結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接用鋼量較原有網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)小,費(fèi)用較低,是較為經(jīng)濟(jì)的改造工程。

        2)受到原有柱網(wǎng)布置和柱頂預(yù)埋件的影響,鋼梁結(jié)構(gòu)在選擇和節(jié)點(diǎn)的連接處置方面較為復(fù)雜。

        3)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)條件及使用要求合理選擇屋面坡度方向、材料及節(jié)點(diǎn)等,以滿(mǎn)足使用需求。

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