廠房施工采用大跨度門式結(jié)構(gòu)設計分析

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摘要：針對超過65米以上的跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)車間廠房的規(guī)劃設計結(jié)論研究可以看出，鋼結(jié)構(gòu)如果采取分段改變截面大小的排布模式，能夠降低鋼結(jié)構(gòu)框架的重量，便于生產(chǎn)制作及物流輸送；在鋼質(zhì)柱體腳設計成鋼接形式的時候，能夠行之有效地降低橫向支撐梁跨度中部彎矩和有效撓度，與此同時，由于減小了鋼結(jié)構(gòu)梁的有效橫截面，使得此種方案具備既科學又節(jié)約成本的優(yōu)秀特性，能夠為未來相關類型的跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)規(guī)劃設計和實際應用起到適當?shù)慕梃b作用。

關鍵詞：門式鋼架結(jié)構(gòu)；輕量化鋼結(jié)構(gòu)；跨度超大；校核

引言

我國車間廠房建造行業(yè)內(nèi)使用最普遍的門式結(jié)構(gòu)鋼架系統(tǒng)的主體跨度通常是8～35m左右[1]，一般來講，主體結(jié)構(gòu)跨度大于38m的情況下，需要使用空間網(wǎng)格骨架設計形式。針對跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架的規(guī)劃設計和生產(chǎn)搭建過去必須從境外原裝進口引入，故此該結(jié)構(gòu)使用的情況比較少。本文將詳盡闡述跨度大于65m的跨度超大的門式結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設計。

1項目情況

該建筑工程項目坐落在東南沿海某市，是一家汽車生產(chǎn)企業(yè)所屬的用于進行車輛撞擊情況模擬的試驗車間，該車間廠房的獨特作用要求其建筑工程內(nèi)部必須要具備相當大的操作空間，根據(jù)廠家的需求該建筑工程內(nèi)部不能裝備任何形式的支撐鋼梁，結(jié)構(gòu)最大跨度將超過65m，車輛撞擊情況模擬的試驗車間軸線方向的尺寸是55m×65m，當中A號軸線～D號軸線之間的跨度均為65m，當中C號軸線距離D號軸線距離是15m，因此D號軸線為整體結(jié)構(gòu)中受力最集中的門式結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)鋼梁。該建筑工程中D號～J號軸線與5號～9號軸線呈現(xiàn)帶有弧度的邊框，這樣操作的主要出發(fā)點是希望車輛試驗通道可以匯聚到一起從而構(gòu)成的帶圓弧狀的墻邊形狀。跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)鋼制柱網(wǎng)絡的排布在車間廠房布局規(guī)劃的過程中，鋼結(jié)構(gòu)鋼制工程的鋼柱網(wǎng)絡排布首要任務是必須符合車間生產(chǎn)加工工藝的全部規(guī)范和要求，然后才輪到考慮主體結(jié)構(gòu)的解決方案、造價的經(jīng)濟性指標和外部立面的造型美觀等方面的因素。鋼柱網(wǎng)絡排布需要最大限度在符合加工方法下，保證總體的建筑材料使用量為盡量少，該建筑工程主體跨度主要是依據(jù)加工方法裝備的限制來決定。

2主體結(jié)構(gòu)研究與設計校核

門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一種橫向排布的鋼制結(jié)構(gòu)架，縱向排布支持的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該建筑工程的表面軸向線長度為55×65m，接近正方形結(jié)構(gòu)，另外工程加工方法的規(guī)范及A方向軸下方必須改擴建車間廠房，因此最后使用了縱置方向結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)架，橫向鋼結(jié)構(gòu)架支持的主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)解決方案。門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力研究時適宜按照平面布置考量，通常不計算金屬蒙皮應力效應。假如考慮主體結(jié)構(gòu)面板的金屬蒙皮應力效應能夠提升鋼結(jié)構(gòu)的強度與整體載荷能力，不過現(xiàn)階段仍舊無法實際推廣，僅能看作安全余量，本工程為單跨度雙相坡度門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)。門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)的校核使用中國建科院研制的鋼架結(jié)構(gòu)計算機輔助設計系統(tǒng)受力分析軟件，依據(jù)表面存在側(cè)向移動鋼結(jié)構(gòu)架受力分析與校核。依據(jù)廠房主體結(jié)構(gòu)和廠房所屬城市的氣候特點：本項目抗震等級約為7度（0.10g），規(guī)劃地震類型分類為第一類，施工場地分類為Ⅱ類，地表表面精度分類為B類，基礎風向壓力為0.75kN/m2，廠房主體理論靈活荷載0.5kN/m2，建筑主體額外荷載0.15kN/m2，建筑屋頂是5%雙向坡度屋檐窗口離地高度是12.78m。因為鋼結(jié)構(gòu)跨度非常大，設計校核中使用了分成三段的截面變化的實體腹式工字造形的橫截面，橫截面的形狀變化符合彎矩曲線的變化趨勢，第一能夠降低原材料的使用量，第二可以行之有效地降低橫向鋼梁的自身重量，上述優(yōu)點針對于門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)較大的剛架來講是非常必要的，與此同時也有利于生產(chǎn)制造及物流輸送。采取腹板深度的逐漸變化橫截面，高強度橫向鋼梁由6截楔狀梁單位組合而成。在門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)設計時，移動比、曲度比、載荷比對主體結(jié)構(gòu)計算校核起到主要控制功能。鋼柱頂端位置移動參照《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄內(nèi)容，可選取H/350。通過理論校核，鋼柱頂端最高位移量2.223mm，移動比1/5，567<H/450。在移動比符合設計計算書的狀況下，鋼質(zhì)柱體最高載荷比為0.641，長寬比最大95。鋼結(jié)構(gòu)梁彎曲度允許數(shù)值參照《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄內(nèi)容，選取l/390。通過校核，鋼梁彎曲值119.7mm，彎曲度比1/480<l/370，鋼結(jié)構(gòu)梁最大載荷比是0.59。主體結(jié)構(gòu)的理論校核鋼結(jié)構(gòu)橫截面具體尺寸，鋼結(jié)構(gòu)柱的橫截面具體尺寸是H（1450×543×12×25），鋼結(jié)構(gòu)梁A截的橫截面具體尺寸是H（2200～1900）×380×11×21，B截的橫截面具體尺寸為H（1900×310×13×15），C1加C2截的橫截具體面尺寸是H（1780～2231～1780）×340×15×18，D截的橫截面具體尺寸是H1780×340×11×22，E截的橫截面具體尺寸是H（1780～2055）×360×15×18，鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)梁與鋼質(zhì)柱主體質(zhì)量總和為2，4388kg，即為24.4t。門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱腳大部分使用平面式鉸鏈連接鋼柱腳，鑒于本建筑工程鋼結(jié)構(gòu)架橫向鋼梁跨度非常大，所以門式結(jié)構(gòu)中彎矩和曲度非常大，理論設計中使用了強度較大鋼柱腳，因為鋼柱下部內(nèi)應力引發(fā)的內(nèi)部應力非常大，校核時抗剪切鍵使用了H（245×145×15）校核時和鋼柱腳是鉸鏈聯(lián)接的狀況采取了研究，圖1為兩種情況的彎矩包絡圖，在其它條件相同的情況下，采用剛性柱腳時橫梁的跨中彎矩及撓度比采用鉸接柱腳時分別降低了14～18%，梁柱拼接節(jié)點處彎矩亦有所降低，這對于跨度較大的剛架來說是十分有利的。

3屋頂體系及和外立面體系構(gòu)成布局

車間廠房的屋頂體系及和外立面體系保護材質(zhì)選用輕質(zhì)多色造型鋼板。屋頂檁條間隔1.5m，依照多跨度持續(xù)構(gòu)件進行理論設計，使用“Z”型冷軋薄桶型鋼材Z（245×75×30×2.8），四邊單跨度內(nèi)部都加裝高密度檁條Z（245×75×30×1.55）。檁條跨中間設兩道剛性支撐，檁條剛性支撐為槽鋼（125×1.6），并在屋脊側(cè)邊兩檁條間設剛性撐間，形成一個整體不動體系?？v墻墻梁采用“Z”型冷彎薄壁型鋼Z（210×75×30×1.85），弧形墻墻梁因弧度關系，采用方型鋼“口”（210×6.2），都按多跨度持續(xù)構(gòu)件進行理論設計。跨度中部設置一處拉筋，在結(jié)構(gòu)最上端墻體鋼梁處設置斜拉筋用以把拉應力傳導到承重功能鋼柱。

4連通關鍵點理論設計

鋼結(jié)構(gòu)架的組合固定使用了半徑是M13.5的10.8級耐磨型高強度螺栓，扭曲剪切型連接副，其原材料是：螺栓使用的材料為20MnTB，螺母使用的材料為15MnVB，墊圈使用的材料為45號鋼。連接接觸面采用噴砂處理，并要求按規(guī)范進行摩擦面抗滑移系數(shù)試驗。

5結(jié)論

（1）針對于跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架，需要依據(jù)主體結(jié)構(gòu)彎矩的變化采用分部分變化截面的形式，以減輕剛架的自重，尤其是橫梁的自重，同時方便制作和運輸。（2）大跨度門式剛架的柱腳設計為剛接，可以有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對于大跨度的門式剛架來講是十分有利的。

6結(jié)束語

綜上所述，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)預載荷鋼結(jié)構(gòu)骨架因為成型初始階段內(nèi)應力的影響，提升了主體結(jié)構(gòu)的極限承載力與主體結(jié)構(gòu)的強度，在同樣的負載作用下，主體結(jié)構(gòu)彎曲度比較小，具備優(yōu)良的使用性能。文章的案例表明，體內(nèi)預應力鋼屋架比普通鋼屋架節(jié)省材料，也優(yōu)于體外預應力鋼屋架。與此同時其構(gòu)造比體外預應力鋼屋架結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)進度快、建造簡易，非常適宜跨度超大的門式結(jié)構(gòu)。

參考文獻：

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[5]張啟文，夏志斌，黃友明，等.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003：120-124.

作者：倫光明 單位：廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司