鋁礦堆取料場防雨棚門式管桁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳勁松 趙 翔

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001;2.江蘇省財(cái)政廳，江蘇 南京 210001)

1 工程概況

某公司一鋁礦堆取料場，需建一防雨棚，主體結(jié)構(gòu)橫向跨度55 m，縱向總長324 m，建筑面積達(dá)17 820 m2。廠房檐口標(biāo)高約16.100 m，屋脊標(biāo)高約23.975 m，開敞式，屋面采用壓型鋼板。經(jīng)過技術(shù)方案比較，確定采用門式空間管桁結(jié)構(gòu)，每榀間距9 m;因縱向長度超長，設(shè)置伸縮縫將結(jié)構(gòu)平面分成兩部分。工程竣工圖見圖1。

圖1 竣工圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 管桁結(jié)構(gòu)

承重管桁結(jié)構(gòu)外形類似門式剛架，梁、柱均采用變截面三角形空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)。梁桁架由上部的單根鋼管及下部的兩根鋼管分別形成上、下弦桿，柱桁架由外側(cè)的單根鋼管及內(nèi)側(cè)的兩根鋼管分別形成內(nèi)、外弦桿，結(jié)構(gòu)是梁、柱弦桿貫通、腹桿與弦桿間采用相貫節(jié)點(diǎn)連接起來的空間結(jié)構(gòu)。屋面梁桁架由兩種坡度組成，在桁架的1/4跨度形成一拐點(diǎn)，坡度分別為i=0.4和i=0.15。桁架柱腳與基礎(chǔ)通過錨栓連接。梁桁架截面三角形底邊長0.8 m，端部截面高度約為2.5 m，跨中約為 2.0 m;柱桁架截面三角形底邊長0.8 m，柱底部截面高度約為0.8 m，柱頂部約為2.5 m。鋼管桁架上弦鋼管規(guī)格為φ245×8，下弦鋼管規(guī)格為2φ180×8，腹桿規(guī)格分別為φ102×6，φ83×5(見圖2)。

圖2 門式空間管桁結(jié)構(gòu)

2.2 支撐布置

每榀管桁結(jié)構(gòu)之間由柱間垂直支撐，屋面水平支撐及空間系桿連接，以保持整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。柱間及屋面支撐均采用十字交叉式圓鋼管作為支撐，同時(shí)在梁桁架的屋脊處、拐點(diǎn)處及檐口部位布置五道通長三角形空間管桁架結(jié)構(gòu)作為剛性系桿，在柱間半高處布置一道通長三角形空間管桁架結(jié)構(gòu)作為剛性系桿，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成剛度較強(qiáng)的空間幾何不變體系(見圖3)。

圖3 屋面支撐布置示意圖

3 荷載取值及材料

3.1 設(shè)計(jì)荷載取值及工況組合

1)管桁架的主、支鋼管自重由計(jì)算程序自動(dòng)導(dǎo)算;屋面永久荷載、活荷載及雪荷載均根據(jù)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定取值;屋面積灰荷載0.5 kN/m2。

2)風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓0.4 kN/m2。地面粗糙度為B類。

3)地震作用，本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅱ類場地土，阻尼比為0.05。

3.2 材料

管桁架受力鋼管:Q345B;鑄鋼件G20Mn5;支撐系統(tǒng)鋼管:Q235B。

4 計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用了中國建筑科學(xué)研究院PKPM鋼結(jié)構(gòu)軟件按平面桁架建模計(jì)算，所有桿件間的連接均為鉸接，管桁架與基礎(chǔ)間定義為鉸接。通過計(jì)算出平面桁架內(nèi)力結(jié)果，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)空間分解出上下弦桿及各腹桿的內(nèi)力，對主要受力桿件的應(yīng)力，按鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的90%控制。以后，又通過STATT.PRO軟件空間建模進(jìn)行了計(jì)算分析及校核，最后得出如前所述各桿件截面。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析及穩(wěn)定驗(yàn)算中主要考慮以下幾種荷載組合工況:1)1.2恒載 +1.4 活載;2)1.2 恒載 +1.4 ×1.0 風(fēng)載;3)1.2恒載 +1.4 ×0.9 活載 +1.4 ×0.9 風(fēng)載;4)1.2 恒載 +1.4 ×0.5活載 +1.3×1.0地震荷載;5)1.2恒載。由于結(jié)構(gòu)跨度較大，根據(jù)分析結(jié)果，可得控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最不利荷載工況組合為:1.2恒載 +1.4×0.9 活載 +1.4 ×0.9 風(fēng)載，而有地震參與的組合不起控制作用。

該管桁結(jié)構(gòu)在工程施工完成后，鋼材用量經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，每榀門式鋼管桁架重量16.8 t，總量約635 t，單位面積用鋼量36 kg/m2;支撐系統(tǒng)用鋼總量約142 t，單位面積用鋼量8 kg/m2;防雨棚的結(jié)構(gòu)總用鋼量約為1 087 t，單位面積總用鋼量約64 kg/m2。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 相貫節(jié)點(diǎn)

管桁結(jié)構(gòu)的主管與支管間主要采用相貫焊接，多數(shù)的相貫節(jié)點(diǎn)是由幾個(gè)主支管匯交而形成三維空間薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布十分復(fù)雜。鋼管節(jié)點(diǎn)靜力極限承載力為節(jié)點(diǎn)主管壁承受過度局部屈曲變形而造成破壞時(shí)，作用在支管端部的最大軸向壓力。節(jié)點(diǎn)承載力的設(shè)計(jì)決定了整個(gè)結(jié)構(gòu)體系承載性能，節(jié)點(diǎn)的破壞往往導(dǎo)致與之相連的若干桿件的失效，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，所以管桁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常重要。

本結(jié)構(gòu)管桁上弦節(jié)點(diǎn)主要為空間KK形節(jié)點(diǎn)，下弦節(jié)點(diǎn)為K形節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算。表1舉出梁桁架中兩個(gè)起控制作用的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算結(jié)果，可知支管軸心內(nèi)設(shè)計(jì)值均不超過節(jié)點(diǎn)承載力設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 兩個(gè)起控制作用的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算結(jié)果表

5.2 鑄鋼件節(jié)點(diǎn)

在管桁架的內(nèi)側(cè)弦桿折拐處節(jié)點(diǎn)，由于相交的桿件較多，共有7根管在此相連，為防止焊接應(yīng)力集中并減少殘余應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)中采用鑄鋼件節(jié)點(diǎn)。

為了能夠真實(shí)地反映出該鑄鋼件節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，利用有限元分析軟件ANSYS，建立了與鋼管相連的鑄鋼件的節(jié)點(diǎn)模型(見圖4)。

圖4 鑄鋼件節(jié)點(diǎn)有限元模型

鑄鋼件如圖5所示，為準(zhǔn)確模擬該構(gòu)件在荷載作用下的受力和變形狀態(tài)，采用塊體單元模擬鑄鋼件連接節(jié)點(diǎn)。

圖5 鑄鋼件詳圖

鑄鋼件材質(zhì)采用G20Mn5鋼，屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 N/mm2;鋼管采用Q345B鋼，屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310 N/mm2。鑄鋼件節(jié)點(diǎn)作為塑性材料，通過按第三、第四強(qiáng)度理論校核其強(qiáng)度，并最終確定鑄鋼件的外形尺寸及壁厚均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 柱腳節(jié)點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)柱腳采用了外露式柱腳(見圖6)，但由于柱腳部位存在較大的水平推力，最不利組合可達(dá)近200 kN。在柱腳底部鋼板下對應(yīng)鋼管處設(shè)置了3塊抗剪鍵抵抗水平推力。

圖6 外露式柱腳

6 結(jié)語

1)由于本工程管桁結(jié)構(gòu)的跨度、高度較大，經(jīng)計(jì)算分析，風(fēng)荷載組合對結(jié)構(gòu)起控制作用，地震作用參與的組合不起控制作用，故在7度設(shè)防情況下，水平地震作用可以忽略。同時(shí)在縱向設(shè)置了伸縮縫，本工程忽略溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響，僅進(jìn)行了單榀桁架的平面結(jié)構(gòu)分析。

2)相貫節(jié)點(diǎn)和鑄鋼件的設(shè)計(jì)為一重點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)采用相貫焊接，因此對焊接工藝及加工設(shè)備都有一定的要求，焊接中需要控制焊接收縮量，減少殘余應(yīng)力，焊接質(zhì)量要求較高。柱腳處節(jié)點(diǎn)水平推力的作用是一個(gè)不容忽視的問題，應(yīng)予以高度重視，防止基礎(chǔ)側(cè)移破壞。

3)管桁結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式簡單，體現(xiàn)了鋼管結(jié)構(gòu)的輕巧、美觀。并且整體空間結(jié)構(gòu)剛度大，幾何特征好，節(jié)省材料，日常使用中也便于防銹及清潔維護(hù)。工程已建成使用5年，目前使用情況良好。

[1]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].