輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架設(shè)計(jì)探討

陳延軍

摘要：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，輕型鋼門式鋼架的設(shè)計(jì)是比較常見的，但是，其設(shè)計(jì)并不是十分的容易。如何進(jìn)行輕型鋼門式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是我們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的問題。下面本人就通過近幾年從事門式剛架設(shè)計(jì)的實(shí)踐和體會(huì)，總結(jié)出在門式剛架設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的幾個(gè)應(yīng)該注意的問題，供大家在設(shè)計(jì)門式剛架時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：輕鋼，門式剛架，剛架設(shè)計(jì)

前 ?言

輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說具有十分重要的作用，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展也是具有重大意義的，因此我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討。下面筆者就通過自己的研究和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)門式鋼架的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

一、柱腳設(shè)計(jì)

門式剛架柱腳形式有兩種：即鉸接柱腳和剛接柱腳。對(duì)于鉸接柱腳，基礎(chǔ)僅受軸心荷載作用，設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但大部分門式剛架廠房都有吊車，有較大吊車的房屋，柱頂位移較大，柱腳采用剛接，使得每榀剛架形成超靜定結(jié)構(gòu)，不但能減小柱頂位移而且具有更大的安全儲(chǔ)備。對(duì)于高寬比和風(fēng)荷載較大的無(wú)吊車門剛結(jié)構(gòu)，柱腳也宜設(shè)計(jì)成剛接。同時(shí)當(dāng)柱底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力時(shí)柱腳還應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，抗剪鍵的設(shè)置需要計(jì)算。在基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)留置鍵槽，鍵槽每側(cè)寬出抗剪鍵不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱腳底板和基礎(chǔ)頂面之間留有一定空間，柱腳鉸接時(shí)不易大于50 mm，柱腳剛接時(shí)不易大于100 mm。

二、輕型鋼門式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.合理跨度的確定

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)具體房屋的高度來(lái)確定合理的跨度，總體來(lái)說，當(dāng)荷載和柱高一定時(shí)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中就應(yīng)適當(dāng)加大房屋的跨度，這樣一來(lái)，剛架的用鋼量整體增加不明顯，但卻很大程度上節(jié)省了空間。—般情況下，當(dāng)柱高、荷載一定時(shí)，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節(jié)省空間，基礎(chǔ)造價(jià)低，綜合效益較為可觀。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體要求在選擇方案時(shí)選擇較為經(jīng)濟(jì)的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2.剛架最優(yōu)柱距的確定

剛架的柱距與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關(guān)。隨著剛架柱距的增大，剛架用鋼量是逐步下降的，但當(dāng)柱距增大到一定的數(shù)值后，剛架的用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大而增加，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降后上升。大量計(jì)算數(shù)據(jù)表明：一般情況下，門式剛架的最優(yōu)柱距為6—9 m，柱距不易超過9 m，超過9m時(shí)，屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加太多，綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。因此，從綜合分析的角度看，確定合理的柱距才能既節(jié)省鋼材，又使設(shè)計(jì)真正做到定型化、專門化、標(biāo)準(zhǔn)化以及輕型化，從而推動(dòng)門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)的發(fā)展。

3.確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

輕型門式剛架的形式多種多樣，柱腳和基礎(chǔ)通常做成鉸接，多跨剛架的中柱多采用搖擺柱。但當(dāng)柱高度較大時(shí)，為控制風(fēng)荷載作用下的柱頂位移值，柱腳宜做成剛接，多跨剛架的中柱與橫梁的連接也宜采用剛接，多跨剛架宜做成多坡，較為節(jié)省鋼材。門式剛架一般采用實(shí)腹式變截面梁和柱來(lái)適應(yīng)彎矩變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹板高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化。

上下翼緣可用不同截面;相鄰單元的翼緣也可采用不同截面。因此，影響整個(gè)鋼架用鋼量的因素有上翼緣的寬度、厚度;下翼緣的寬度、厚度;腹板的厚度;構(gòu)件大頭、小頭的高度;而且這些因素之間也互相影響。互相不獨(dú)立。柱通常為楔形桿件，楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2—3倍為最優(yōu)截面。

三、實(shí)例分析

某省選煤設(shè)計(jì)研究院運(yùn)用門式框架技術(shù)為該省一選煤廠設(shè)計(jì)了新的選煤主體建筑一 主廠房使用外部門式框架，內(nèi)部塊式框架結(jié)構(gòu)，保溫的雙層壓型墻面，具有極好的采光通風(fēng)作用。

1.梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：梁柱節(jié)點(diǎn)形式見圖1

圖1 ? 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

連接處選用如下組合內(nèi)力值：

[M=-335.33KN?M，N=-64.30KN（使螺栓受壓），Q=115.40KN]

[采用摩擦型高強(qiáng)螺栓，采用10.9級(jí)M24螺栓，預(yù)壓力P=225kN，摩擦面采用噴砂的處理方法，摩擦系數(shù)μ=0.45，螺栓承受拉力為：第一排：N1=My1∑y2i-Nn=335.33×0.3724×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=155.37-6.43=148.94kN第二排：N2=My2∑y2i-Nn=335.33×0.2124×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=88.54-6.43=82.11kN第三排：N3=My3∑y2i-Nn=335.33×0.1324×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=55.13-6.43=48.70kN ? ?，其抗拉承載力為： ? ?[Nbt]=0.8P=0.8×225=180kNNbt=πd2e×fbt/4=π×21.182×500/4=176.2kN>148.94kN，滿足要求。 ? ?螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面三排不計(jì)外加壓力，只考慮預(yù)壓力） ? ?Vb=∑0.9μμf（P-1.25Nt）=2[0.9×0.45×（225-1.25×148.94）+0.9×0.45× ? ? ? ?（225-1.25×82.11）+0.9×0.45×（225-1.25×48.70）+0.9×0.45×225×6] ? ? ?=810.26kN>115.40kN]

2.梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖如下：

連接處選用如下組合內(nèi)力值：

[M=246.78KN?M，N=-57.82KN（使螺栓受壓），Q=5.79KN]

[采用摩擦型高強(qiáng)螺栓，采用10.9級(jí)M24螺栓，預(yù)壓力P=225kN，摩擦面采用噴砂的處理方法，摩擦系數(shù)μ=0.45，螺栓承受拉力為：第一排：N1=My1∑y2i-Nn=246.78×0.3724×（0.2122+0.3722）-57.828=125.17-7.23=119.94kN第二排：N2=My2∑y2i-Nn=246.78×0.2124×（0.2122+0.3722）-57.828=71.34-7.23=64.11kN ? ?其抗拉承載力為： ? ?[Nbt]=0.8P=0.8×225=180kNNbt=πd2e×fbt/4=π×21.182×500/4=176.2kN>119.94kN，滿足要求。 ? ?螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面二排不計(jì)外加壓力，只考慮預(yù)壓力） ? ?Vb=∑0.9μμf（P-1.25Nt）=2[0.9×0.45×（225-1.25×119.94）+0.9×0.45× ? ? ? ?（225-1.25×64.11）+0.9×0.45×225×4] ? ? ?=542.65kN>5.79kN]

[端板厚確定：第一排螺栓端板厚 ：t≥6efNtbf =6×68×119.94×103400×205=24.4mm，第二排螺栓端板厚 ：t≥6efewNt[ewb+2ef（ef+ew）]f ?=6×68×97×64.11×103[97×400+2×68×（68+97）]×205=14.2mm，采用端板厚t=26mm。端部腹板設(shè)置加勁肋，加強(qiáng)腹板強(qiáng)度，詳見施工圖]

四、結(jié)束語(yǔ)

輕型鋼門式鋼架結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是普遍存在的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是其他一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所無(wú)法比擬的。但是這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在目前還不是很成熟，在建筑工程中的應(yīng)用不是很好。因此，為了更大范圍的發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，確保這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，我們就需要對(duì)該種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，克服在輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，掌握其設(shè)計(jì)技術(shù)，使輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到更大的發(fā)展。

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