淺析門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

舒平 高利永

摘要：門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)有很多的優(yōu)點。本文結(jié)合了作者多年的工程技術(shù)設(shè)計經(jīng)驗，對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計作出了一些探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 輕鋼結(jié)構(gòu); 計算長度; 抗剪鍵

Abstract: the door frame of light steel structure has many advantages. Based on the author's engineering design experience, steel portal frame of light steel structure design to make some research and summarize.

Keywords: light steel structure; Calculation length; Shear key

中圖分類號：TB482.2文獻標識碼：A 文章編號：

為了更好的適應(yīng)新形勢下鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的要求，設(shè)計人員更需要不斷充實對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計思維。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和作者從事輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，本文歸納和總結(jié)了門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系在工程設(shè)計中常見問題，拋磚引玉，供各位同行共同探討。

1 剛架梁計算長度

門式剛架的梁柱構(gòu)件一般為實腹式焊接工字鋼或軋制H 型鋼，中柱為搖擺柱時，中柱截面也可用箱形截面。為減少用鋼量，降低工程造價，構(gòu)件截面通常采用變截面形式。梁柱截面通常是盡量采用較大高度，減小腹板厚度，以便實現(xiàn)截面最大抗彎承載能力。因此，在門式剛架的實際設(shè)計中，剛架梁的截面通常是由整體穩(wěn)定控制，計算長度的選取對結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性起到重要的作用。例如，以一雙軸對稱工字型截面剛架梁為例，鋼材材質(zhì)選用 Q235B 鋼，平面外回轉(zhuǎn)半徑 iy= 5cm，穩(wěn)定系數(shù)按下式計算:φb= 1. 07 － λ2y·fy/ ( 4400 × 235) λy≤120當平面外計算長度 Ly= 3m 時，λy= 60，φb= 0. 92; 當平面外計算長度 Ly= 6m 時，λy= 120，φb= 0. 67。由此可見，平面外計算長度取值對穩(wěn)定應(yīng)力計算的影響。在門剛設(shè)計中，有的設(shè)計人員對剛架梁平面外計算長度取隅撐間距或兩倍隅撐間距，實際上，由于隅撐都是采用普通螺栓連接，且與隅撐上端相連的檁條也是通過普通螺栓與剛架梁上翼緣連接，因此，只有梁下翼緣發(fā)生一定的側(cè)向位移時，隅撐才能起到側(cè)向支撐點的作用，考慮到梁上翼緣同時也會發(fā)生側(cè)向移動，梁上翼緣側(cè)向支撐點中部位置的隅撐作為支撐點的作用將進一步削弱。因此，如考慮隅撐作為下翼緣側(cè)向支撐點，應(yīng)取靠近系桿所在位置的隅撐。

2 系桿設(shè)計

在一般的輕鋼結(jié)構(gòu)中，屋面支撐多采用帶張緊法蘭的圓鋼，只能承受拉力，如果不設(shè)置能傳遞壓力的系桿，屋面支撐就無法形成有效傳遞水平力的平面桁架結(jié)構(gòu)。系桿一般單獨設(shè)置，并與柱間支撐布置相配合。截面選擇多采用熱軋無縫鋼管，有時也可由檁條或屋面鋼天溝兼作，此時檁條或屋面鋼天溝及其連接節(jié)點應(yīng)滿足對壓彎桿件的剛度、承載力和構(gòu)造要求，并且，連接位置應(yīng)與柱間支撐位置相一致，以便于傳力直接。常用的設(shè)計軟件中，對系桿的設(shè)計時，通常是與屋面支撐同時進行，將總的風荷載除以一列柱的柱間支撐數(shù)后，作為節(jié)點集中荷載施加到屋面支撐與系桿組成的水平桁架上。這種處理對屋面支撐設(shè)計沒有什么問題，但對系桿來說，值得商榷。由于風荷載是由柱間支撐共同承受傳遞到基礎(chǔ)上，在每一列系桿中，沿縱向方向是一個水平力逐漸分配的過程，每經(jīng)過一個柱間支撐所在位置，軸力便分配一次，所以，對所有的系桿統(tǒng)一取一荷載進行設(shè)計，勢必對房屋端部位置的系桿偏于不安全，而對中間位置的系桿又偏于保守。建議在對系桿設(shè)計時，對不同位置的系桿采用不同的風荷載系數(shù)進行設(shè)計，以一列柱布置三道柱間支撐為例，風荷載總體形系數(shù)為 1. 3，迎風面為 0. 8，背風面為 －0. 5。從迎風面開始，抗風柱至第一個柱間支撐間( 包括柱間支撐所在的柱間) 承擔的風荷載比例為 0. 8。第一列柱間支撐至第二列柱間支撐間( 包括柱間支撐所在的柱間) 承擔的風荷載比例為 0. 8 － 1. 3/3 = 0. 37，以此類推得到所有系桿風荷載分配系數(shù)，設(shè)計時，應(yīng)考慮左風和右風的分別作用。

3 抗剪鍵的設(shè)計

由于門剛結(jié)構(gòu)自重較輕，在風荷載較大地區(qū)的工程設(shè)計中，有時會出現(xiàn)剪力較大，而豎向力較小，甚至?xí)霈F(xiàn)拔力的情況，此時，單單靠柱底板與基礎(chǔ)頂面的摩擦力難以抵抗水平力，因而，需要設(shè)置抗剪鍵來分擔水平剪力?？辜翩I一般采用截面剛度較大的槽鋼或工字鋼等型鋼來制作，型鋼的長度方向與水平剪力的方向平行，并采用角焊縫與柱底板連接。抗剪鍵的截面和連接焊縫應(yīng)進行計算確定，焊縫設(shè)計計算一般只考慮正面角焊縫的作用，計算公式如下:Lw= ( Vmax－ 0. 4N) / ( 0. 7fwβf) +40式中，Lw為正面角焊縫總長度; Vmax為最不利組合時柱底最大剪力; N 為對應(yīng) Vmax時柱底軸力; fw為角焊縫設(shè)計值; βf為正面角焊縫強度設(shè)計值增大系數(shù)，可取 1. 22?；A(chǔ)施工時，需預(yù)留抗剪鍵槽，抗剪鍵槽的平面尺寸較抗剪鍵截面尺寸稍大，具體以方便二次灌漿為宜。

4 工程實例

某倉庫結(jié)構(gòu)形式為雙跨門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)，單跨跨度為 45m，柱距 7. 2m，邊柱柱頂標高 8. 730m，中柱為搖擺柱。倉庫屋面為壓型鋼板屋面，四周為砌體圍護結(jié)構(gòu)。每列柱，沿縱向共布置四道柱間支撐，為門式支撐。工程所在地地震設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計地震分組為第二組，基本風壓為 1. 0kN/m2。剛架設(shè)計時，屋面恒載取 0. 3kN/m2，活載取0. 3kN / m2，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件采用 STS 計算軟件。由于風荷載和剛架跨度較大，為了減少基礎(chǔ)造價，降低對地基承載力要求，剛架柱柱底均采用鉸接。根據(jù)各榀剛架受荷面積，以及風荷載體型系數(shù)的不同，所有剛架沿縱向分為三個標準剛架，兩榀端剛架為 GJ1，兩端第二榀剛架為GJ2，其余各榀為 GJ3。以 GJ3 為例，鋼構(gòu)件除中間搖擺柱為箱形截面以外，其余構(gòu)件截面形式均為變截面焊接工字鋼。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，剛架梁平面內(nèi)計算長度按程序默認取值，平面為計算長度取系桿間距 5. 0m。剛架柱平面內(nèi)計算長度按程序默認取值，平面計算長度取 3. 0m。所用鋼材材質(zhì)為Q345B 鋼。結(jié)合彎矩包絡(luò)圖，剛架梁共分為十一個分段，考慮運輸方便，最大分段長度為 12. 5m。根據(jù)計算結(jié)果，剛架柱斷面尺寸為( 600 ～1100) × 300 × 8 × 14，兩側(cè)與剛架柱相連接的剛架梁分段截面為( 900 ～ 1500) × 270 × 8 × 14，跨中剛架梁最大截面為 1600 × 300 × 8 × 14，中柱柱頂剛架梁最大截面為 1500 ×270 ×8 ×14。屋面系桿結(jié)合山墻抗風柱布置，間距 5m，沿縱向方向分別取兩種截面形式，第一道柱間支撐與第二道柱間支撐間系桿截面為 140 × 4. 5 熱軋無縫鋼管，第二道柱間支撐與第三道柱間支撐間系桿截面為 108 × 4. 0 熱軋無縫鋼管，第三道柱間支撐與第四道柱間支撐間系桿截面為 140 ×4. 5 熱軋無縫鋼管，各系桿截面均滿足強度、構(gòu)造要求，系桿布置圖如圖 1 所示。柱腳底部抗剪鍵計算采用 14#輕型槽鋼，長度 150mm，與柱底端板周邊角焊縫連接?；A(chǔ)頂面相應(yīng)位置預(yù)留抗剪鍵槽，深 150( 由于柱底端板與基礎(chǔ)頂面間有 50mm 后澆混凝土，抗剪鍵槽實際深度為 200mm) ，抗剪鍵槽平面尺寸為 200 ×140mm，如圖 2 所示。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和建筑規(guī)模的不斷擴大，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用日益廣泛。但由于許多設(shè)計人員和施工單位對這種結(jié)構(gòu)了解不多，很多設(shè)計細節(jié)問題還需要廣大的設(shè)計人員在實際工作中不斷地完善。不僅要對剛架本身進行設(shè)計，作為一個結(jié)構(gòu)體系，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)布置、支撐系統(tǒng)、構(gòu)件的連接及節(jié)點構(gòu)造做詳細綜合的考慮。只有充分理解該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念，才能使設(shè)計的結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟、更安全。結(jié)合作者進行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的工作經(jīng)驗，本文介紹了門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系特點和一些設(shè)計時常遇到的問題，以供同行參考。

參考文獻

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。