刍议工业厂房中的轻钢结构设计技术

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　　1工程概况及结构布置
　　某工厂总建筑面积为18900m2,分为A、B两区。A区长180m,宽60m,为两跨对称门式刚架轻钢结构,每跨跨度为30m,柱距为9m;B区长180m,宽45m,有两台5t轻型工作制电动单梁吊车,主跨为30m,有吊车跨为15m,柱距也为9m。本工程的柱、梁、檩条、支撑、围梁均采用高强轻钢材料。刚架及边柱采用焊接变高度H型截面,刚架中柱采用等高度H型截面,刚架梁系结构及刚架梁柱间均采用高强螺栓连接。
　　由于门式刚架轻钢结构不设伸缩缝的要求为:纵向温度区段长度不大于300m,横向温度区段不大于150m,因此本工程无须设置分割缝。屋面采用轻质材料如压型钢板、夹芯板等代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板,并采用轻型墙体材料使结构轻型化。
　　2 刚架结构分析
　　
　　取图1两榀刚架计算。
　　2.1计算参数
　　恒载(考虑双层彩板和檩条)取2.0kN/m,活载取活荷载与雪荷载的较大值3.6kN/m,风载按基本风压及荷载规范的体型系数取用,计算吊车荷载效应时考虑吊车轮压的最不利位置,弹性模量E=206×103MPa,泊松系数μ=0.3。刚架钢材为Q345(16Mn),采用摩擦型高强度818级螺栓。
　　2.2计算工况
　　1)刚架A
　　工况一:1.2恒载效应标准值+1.4活载效应标准值
　　工况二:1.2恒载效应标准值+1.4风荷载效应标准值
　　工况三:1.2恒载效应标准值+0.85×1.4(活荷载+风荷载)效应标准值
　　2)刚架B
　　工况一:1.2恒载效应标准值+1.4活载效应标准值
　　工况二:1.2恒载效应标准值+1.4风荷载效应标准值
　　工况三:1.2恒载效应标准值+0.85×1.4(风荷载+吊车荷载)效应标准值
　　工况四:1.2恒载效应标准值+0.85×1.4(活载+风荷载)效应标准值
　　工况五:1.2恒载效应标准值+0.85×1.4(活载+吊车荷载)效应标准值
　　2.3计算方法
　　计算使用同济大学编制的钢结构软件3D3S。该软件可用于钢框架、门式刚架、自立塔架、钢屋架及吊车梁等各种钢结构的设计;可用于平面分析,也可用于空间分析。
　　2.4计算控制因素
　　1)变形限制
　　轻型钢结构门式刚架,当采用轻型墙板作为围护结构时,柱顶的水平位移与柱高的比值:不设吊车为1/75,设有由地面操纵的吊车为1/150。仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的门式刚架斜梁容许挠度为L/180(L为受弯构件的跨度)。
　　2)截面参数控制
　　门式刚架梁的最小高度与其跨度之比,对实腹梁可取为1/30～1/45。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)规定:工字型截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比不应大于15√235/fy;工字型截面梁、柱构件腹板计算高度h与其厚度tw之比,不应大于250√235/fy(fy为钢材的屈服强度)。
　　25计算及结果
　　按上述计算参数及控制因素初选截面代入程序计算,并对构件进行截面验算,验算时应注意计算长度的取值。刚架平面内柱计算长度系数应根据刚架柱与基础的连接方式及截面形式按“规程”(CECS102:2002)相应的表格取用;在刚架平面外,实腹式刚架梁和柱的计算长度,应取侧向支承点间的距离,当梁(柱)受压翼缘的侧向支承点间的距离不等时,应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离(在确保安全可靠的前提下,选择侧向支承点时,应注意使刚架截面不由刚架平面外稳定计算控制设计,避免造成钢材浪费)。根据验算结果对杆件截面进行调整优化,使得截面变化与弯矩大小尽可能趋于一致。还可用程序提供的满应力优化子程序对构件截面进行优化。
　　经计算,得出刚架A、B各构件的截面尺寸(表1)。
　　表1杆件截面尺寸mm

　　由表1中截面尺寸可看出,优化设计后,由于刚架跨度较大,其弯矩变化也较大,在梁截面高度变化的同时,将中部构件腹板及翼缘厚度也作了相应减小,达到了经济选材的目的。
　　3刚架节点设计
　　节点设计时既要考虑到传力机制明确,构造合理,具有必要的延性,避免应力集中及产生过大的约束应力,同时也要考虑到制作、安装方便,容易就位和调整。螺栓端板连接是在构件端部截面上焊接一平板(端板),并用螺栓与另一构件的端板或翼缘相连的一种连接形式。由于其具有上述优点,因此在钢结构工程尤其是轻型房屋钢结构门式刚架的节点设计时经常采用。其设计步骤通常是:1)根据受力和构造要求选择连接形式并布置螺栓;2)计算螺栓所受拉力并确定螺栓直径;3)确定端板厚度;4)验算构件腹板的局部强度;5)焊缝设计。由于端板连接是半刚性连接,如节点弯矩过大会使其失效,因此设计时应有足够的安全储备,特别是边柱与斜梁连接处。此外,构件与端板连接处也可加厚腹板或设加劲肋以加强腹板,避免构件的翼缘或腹板局部出现剪切、拉伸、承压、失稳破坏。本工程刚架A、B各节点大样见图2。
　　
　　4支撑体系
　　本工程的屋面和柱间支撑主要采用由张紧的圆钢组成的柔性支承,系杆设计成压杆,采用焊接圆钢管(若吊车荷载较大则下柱支撑应设计成刚性支承)。支撑系统的计算简图如图3。
　　
　　
　　a-屋面水平支撑;b-柱间支撑图3屋面水平支撑及柱间支撑计算简图通过计算,交叉支撑SR1、ZC1、ZC2选用Φ20圆钢,系杆LL1、LL3选用Φ121×3.0焊接管,LL2选用Φ140×3.5焊接管。
　　布置时将支撑布置在靠近翼缘一侧,以减小连接处腹板的局部变形,有利于侧向支点的刚度贡献。
　　5刚架柱脚及檩条设计
　　本工程刚架柱脚采用平板式柱脚,这种柱脚形式构造简单,便于现场安装,且计算模式也较简单,在轻钢厂房设计中被广泛采用。设计时须注意,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶98)规定:刚接柱脚以及考虑地震组合时的铰接柱脚,柱脚底部的水平反力应由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受,摩擦系数可取0.4。当水平反力大于摩擦力时,应设置抗剪键。