结合实例论钢结构厂房设计
关键词：钢结构；设计；布置
0引言
在一些沿海、沿江地区,由于生产工艺的需要以及建设用地的允许,建造大跨度和大面积的钢结构厂房越来越多,而随着我国钢产量的增加和建筑设计、施工技术的不断进步,这种需求得到满足也变得越来越容易。
1项目简介
河北省某钢结构厂房,该建筑平面尺寸为324m(长)×150m(宽),檐口高度17.0m,采用5连跨双坡内天沟排水。不考虑保温,所以屋面和墙面均采用单层彩钢板围护。
在建筑的中部设有两扇10m(高)×15m(宽)的大门,在东面n}轴线的山墙上面有10m(高)×27m(宽)的大门五扇。
建筑的内部设有工作级别为A5的32t桥式吊车和10t的半门式吊车若干台,在建筑的北面设有露天的工作级别为A5的32t桥式吊车两台,在建筑的西面设有工作级别A5的10t半门式吊车两台,如图1所示。
桥式吊车的牛腿高度11.0m,半门式吊车的牛腿高度7.0m。
整个建筑场地比较平整,无不良地质,持力层土层变化均匀。
2结构布置
根据《钢结构设计规范》8.1.5条,要求在不考虑温度应力的情况下,结构的纵向温度区段长度不大于220m,横向温度区段长度不大于120m;而该结构的长度是324m,超过允许长度很多,横向宽度150m,同样也超过允许宽度限值;另根据《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》4.3.1条规定,如果建筑的纵向长度不大于300m,建筑的横向宽度不超过150m时,可以不设伸缩缝;如果按照《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》的要求,可以考虑不设置伸缩缝,而该规程的1.0.2条对结构的吊车荷载进行了限制,即吊车的额定起吊量不大于20t,而该建筑的吊车起重量为32t,超过了限制值。
结合两本规范的具体要求和当地的气候条件以及当地已建成的钢结构厂房的成功经验,决定在建筑的纵向设置一道伸缩缝,即324m,分成两部分;横向不设伸缩缝;柱距9m,西面的半门式吊车利用西山墙的抗风柱支撑。
屋面支撑的布置:横向支撑按照常规的布置要求在每个伸缩缝的区间内共设置四道,第一道和第四道支撑布置在建筑的两端;中间间隔4个～5个开间设一道;纵向支撑设置在刚架柱左右两边的第一个抗风柱间,通长设置;设置纵向支撑的目的是考虑到建筑的横向超过伸缩缝的允许限值,防止产生横向裂缝。所有支撑都是采用圆钢制成的柔性支撑。
柱间支撑的布置:由于该结构有两层吊车梁,所以柱间支撑要分成三段布置,第三层(即最上面的)支撑的布置位置和间距同屋面横向支撑对应,第二层和第一层布置在靠近每个伸缩单元的中间,即和屋面横向支撑中间位置的两道支撑对应布置。
东面山墙因为需要开设很大的门洞,所以不能设置从下到上的抗风柱,而只能够在门洞的上口设抗风桁架后再布置抗风柱。
A轴线上的大门需要抽掉一根刚架柱后布置两道桁架,一道放置在柱顶作为屋面钢梁的托架,另一道利用吊车梁平面外的支撑桁架作为墙面柱的下支撑点。
3结构计算
经过上面的结构布置后,结构完全简化为平面形式,可以利用平面结构计算软件对结构进行分析计算。本项目采用PKPM系列中的钢结构排架设计程序。
屋面活荷载的取值:根据《钢结构设计规范》3.2.1条和《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》3.2.2条的规定,可以取0.3kN/m2。
屋面恒荷载的取值:屋面采用连续XZ型檩条支撑单层屋面彩钢板,计算屋面檩条后,取0.5kN/m2。
吊车荷载的取值:32t吊车可以直接采用PK程序里面的数据,10t半门式吊车的荷载数值采用建设单位推荐的厂家设备数值。
风荷载按照荷载规范要求取值;地震荷载根据抗震荷载规范要求采用。
因为是双层吊车,吊车的荷载大,于是在二层吊车牛腿下部采用2根<273钢管组合而成的格构式组合柱,并且在钢管里面浇筑C40的混凝土,形成组合格构式钢管混凝土柱。边柱的截面高度1050,管壁厚度11mm,中柱截面高度1500,管壁厚度8mm,露天钢柱的截面高度1500,管壁厚度11mm;二层吊车牛腿的上部采用焊接H形截面,截面尺寸为H650×250×8×16;屋面钢梁采用变截面焊接H形钢梁,根据屋面钢梁受力的特点先把每个跨度内的钢梁分成五段,在弯矩和剪力相对小的位置设置拼接节点,钢梁的截面尺寸高度变化从边柱到中柱再到边柱的变化过程为H900(×250×8×10)→450→750→750→450→850→
850→450→750→750→450→850。
经过计算得到刚架柱顶的位移在风荷载和吊车荷载单独作用下的最大位移值分别为1/1172和1/2663,皆满足《钢结构设计规范》的要求。屋面钢梁平面外的计算长度在没有按照《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》6.1.6条的规定取值时,其平面外的应力比超过允许值1.0很多;当按照6.1.6条的要求设定平面外的计算长度时,平面外的应力比不超过1.0,满足要求。此时需要特别注意在绘图纸时每间隔一根檩条必须布置一道檩条隅撑,这样才和计算的假定条件吻合。
牛腿的构造采用肩梁式,柱脚结构采用整体式柱脚。
4结语
本项目的设计综合运用《钢结构设计规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程》这两本规范各自允许的设计假定,特别是现在许多的钢结构厂房都是采用轻型的屋面结构系统,如果屋面钢梁不按照轻钢结构的假定要求进行设计,则会因为屋面钢梁平面外的稳定要求导致增大钢梁的截面宽度,使结构变得很不经济。
该项目于2008年12月竣工投入生产,经过一年的使用,没有发现超出设计允许的异常情况,沉降和变形与相邻建筑相比皆在正常的控制值内。对于长度比较长和跨数较多的厂房,只要合理的选择结构布置形式,合理的设置伸缩缝,结构是可以很好的满足工艺要求的。
参考文献:
[1]许礼璟.浅谈钢结构[J].山西建筑,2008,34(2):96-97