探討鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—以某多層輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例

李 勇

(大連東冶建設(shè)工程有限公司)

探討鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—以某多層輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例

李 勇

(大連東冶建設(shè)工程有限公司)

本文通過(guò)案例的分析，闡述了多層輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和設(shè)計(jì)需求以及其在建筑業(yè)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。為建筑業(yè)的發(fā)展提供參考。

多層輕鋼 輕鋼結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國(guó)建筑業(yè)的高速發(fā)展促進(jìn)了許多新型輕型屋面材料得到開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多先進(jìn)的建筑材料在建筑業(yè)中得到應(yīng)用，也促進(jìn)了輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)中的應(yīng)用。輕鋼結(jié)構(gòu)是一種年輕而極具生命力的鋼結(jié)構(gòu)體系，輕鋼結(jié)構(gòu)以其抗震性、抗風(fēng)性、耐久性、保溫性、隔音性、健康性、舒適快捷及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于一般工農(nóng)業(yè)、商業(yè)、服務(wù)性建筑。

1 多層輕鋼工業(yè)廠(chǎng)房體系和結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)體系

多層輕鋼工業(yè)廠(chǎng)房因?yàn)楦叨鹊秃蛯訑?shù)少多為框架一支撐結(jié)構(gòu)和純鋼架結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際情況選擇結(jié)構(gòu)體系，可以降低鋼的用量，并且滿(mǎn)足工藝要求。

1.1 .1 純框架結(jié)構(gòu)

鑒于工藝設(shè)計(jì)中管線(xiàn)布置和機(jī)械設(shè)備擺放等限制，柱問(wèn)不能設(shè)置支撐，故選擇純框架結(jié)構(gòu)。純框架結(jié)構(gòu)由工字型梁和十字型柱（H型柱）或箱型柱構(gòu)成。純框架結(jié)構(gòu)每個(gè)部分的剛度分布均勻，平面布置靈活，且延性較大，自振周期長(zhǎng)，具有良好的抗震性，可以為工程提供足夠的室內(nèi)空間。

1.1 .2 框架一支撐結(jié)構(gòu)

框架一支撐結(jié)構(gòu)與純框架結(jié)構(gòu)對(duì)比，具有簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)形式、用鋼量少喝側(cè)移剛度大的特征?？蚣芤恢谓Y(jié)構(gòu)一般為X型，也有八字型、人字型和門(mén)型支撐，由工字型梁柱構(gòu)成。橫向承重體系是框架一支撐結(jié)構(gòu)的主要承重體系，空間連系作用依靠樓板與次梁，柱和縱向聯(lián)系梁鉸接。設(shè)置支撐柱間的同時(shí)還應(yīng)設(shè)置屋蓋橫向支撐，支撐設(shè)在第二開(kāi)處或兩端，構(gòu)成幾何不變體系，以便整體剛度的提高。在屋面可以選取柔性拉桿支撐結(jié)構(gòu)，柱間則要應(yīng)用剛性圓鋼管作為支撐。橫向縱向都需布置支撐的情況是在8度設(shè)防地區(qū)的情況下。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

在多層輕鋼型廠(chǎng)房中，彩色涂層的壓型鋼板和夾芯金屬板取代了傳統(tǒng)多層廠(chǎng)房的砌體維護(hù)墻體。這種輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱效果好、自重輕、容易安裝和美觀的外表的特點(diǎn)，采用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以降低對(duì)基礎(chǔ)的要求和大幅度減輕結(jié)構(gòu)的自重。

屋面結(jié)構(gòu)一般選取z型冷彎薄壁型或大斷面的C型鋼檀條體系，板跨與鋼架間距決定檀條的尺寸，以1～2m的等間距在屋脊和檐口布置，增加房屋的縱向剛度，為主鋼架平面提供外約束，縱向水平力得到傳遞。檁條高度一般為140～250m，有些則可以達(dá)到300m，厚度為1.5～3.0mm。當(dāng)鋼架間距大于9m時(shí)，則需要選擇桁架式。Z型為連續(xù)檀條，C型為簡(jiǎn)支，鋼架與檀條的連接可以采用檀托。

強(qiáng)梁同樣選取Z型或C型冷彎薄壁型鋼，板跨（墻距）與鋼架間距（跨度）決定墻梁的尺寸，以1～3m的間距在門(mén)窗洞口上下布置，增加房屋的縱向剛度，為主鋼架平面提供外約束，縱向水平力得到傳遞。當(dāng)間距大于9m時(shí)，則要考慮設(shè)置墻架柱以便降低墻梁鋼架間距。

2 設(shè)計(jì)方法

在地震烈度大于6度的地區(qū)中，要考慮水平地震對(duì)結(jié)構(gòu)布置均勻的多層輕鋼廠(chǎng)房的作用，故一般用底部剪力法計(jì)算。多層廠(chǎng)房但如果其結(jié)構(gòu)布置對(duì)稱(chēng)則可以簡(jiǎn)化為平面框架模型進(jìn)行計(jì)算，而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)則要建立空間框架模型再計(jì)算。

增大梁剛度的方法考慮樓板的組合作用是結(jié)構(gòu)計(jì)算普遍采用的方法。對(duì)組合梁剛度評(píng)價(jià)有三種方法：平均剛度法，等價(jià)截面慣性矩法，Newmark方程法。平均剛度法是把正彎矩區(qū)組合截面的剛度K+與負(fù)彎矩區(qū)純鋼構(gòu)件的截面剛度K一的平均值作為組合梁的等價(jià)截面剛度。一般選擇平均剛度法作為實(shí)際工程中的評(píng)價(jià)方法。

3 具體工程實(shí)例

3.1 工程背景

某工業(yè)廠(chǎng)房，主體四層，局部三層，寬度15m(6．5m+8．5m)，柱距7m，全長(zhǎng)63．5m，建筑面積3600m2。屋面采用BHP壓型鋼板保溫屋面系統(tǒng)，首層窗臺(tái)以下為240粘土磚墻，其余外墻面采用BHP壓型鋼板保溫墻面系統(tǒng)，內(nèi)墻為60ram厚，保溫壁板。屋面支撐采用矩管20mm柔性支撐，柱間采用中114x3．0圓管支撐。樓面活荷載為3．5kN/m2，恒荷載為4．0kN/m2；屋面活荷載0．5kN/m2，恒荷載0．5kN/m2：基本風(fēng)壓0．35kN/m2；設(shè)計(jì)地震烈度為7度，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

3.2 計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)分析通過(guò)融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型軟件包有限元分析軟件ANSYS來(lái)完成計(jì)算，內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)自振周期的計(jì)算采用三維梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)三維殼單元，質(zhì)量單元，二力桿單元。組合樓蓋的空間聯(lián)系作用是空間計(jì)算模型要考慮的要素。

3.3 計(jì)算分析

此案例中采用橫向的承重體系，其中梁柱均為等截面。在不改變梁截面形式，只改動(dòng)鋼架柱的情況下，采用框架一支撐體系和純框架體系進(jìn)行比較。框架一支撐結(jié)構(gòu)同時(shí)建立空間和平面兩種模型圖，純框架結(jié)構(gòu)建立空間模型。

表 1框架一支撐體系的兩種計(jì)算模型比較

從表 1可以獲知框架一支撐體系平面模型和空間模型主要結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)的數(shù)據(jù)，可以得出：

(1)框架一支撐可以減少結(jié)構(gòu)橫向自振周期，剛度得到增強(qiáng)，有重要的空間連系作用。

(2)平面模型低估了地震的作用力，在地震的作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移偏小為49%。

所以，當(dāng)多層輕鋼廠(chǎng)房在地震烈度大于等于7度時(shí)的地區(qū)時(shí)，應(yīng)該通過(guò)建立空間模型進(jìn)行計(jì)算。

(1)在支撐作用下，框架一支撐在縱向有較大的剛度；

(2)純框架結(jié)構(gòu)與框架一支撐體系對(duì)比，在二字型柱在橫向具有較大慣性矩的情況下，框架一支撐體系的剛度大，自振周期小，側(cè)向位移小。

(3)在這里對(duì)用鋼量較大的純框架結(jié)構(gòu)不宜考慮，框架一支撐體系可以節(jié)約總用鋼量17%，具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

表2給出兩種體系空間模型的主要計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯?/p>

橫向主自振周期（s）柱載面 總用鋼量（t）單位用量（km/m2）縱向主自振周期（s）風(fēng)荷載作用下最大層間位移（mm）地震作用下最大層間位移（mm）280×280 ×10×10 46.907 139.920 38.32 1.445 1.560 11.631 8.655 600×200 ×10×8 37.526 114.267 31.74 0.878 1.53 6.951 6.829 ······ 節(jié)省20%節(jié)省17% 17% ······ ······ 減少40% 21%節(jié)省純框架框架支撐體系比較

5 結(jié)論

通過(guò)上述案例的分析，可以看出多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。在符合工藝要求且考慮樓蓋組合作用的框架一支撐體系可以降低成本，加大凈空，增強(qiáng)側(cè)向剛度。相信在未來(lái)的建筑業(yè)中，多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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