大雪載地區(qū)的輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

齊彬

(中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計(jì)院,河北秦皇島 066004)

大雪載地區(qū)的輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

齊彬

(中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計(jì)院,河北秦皇島 066004)

結(jié)合工程實(shí)例,針對(duì)大雪載地區(qū)的輕鋼廠房,從結(jié)構(gòu)選型、荷載取值、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造措施等方面為輕鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)和計(jì)算提供參考和建議。東北地區(qū)一直是暴雪高發(fā)地區(qū),輕鋼結(jié)構(gòu)具有跨度大、施工速度快、質(zhì)量輕、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn),因暴雪地區(qū)輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)雪荷載堆積考慮較少,本文以設(shè)計(jì)的東北某廠區(qū)淀粉糖車間為例,從結(jié)構(gòu)選型、荷載取值、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造措施等方面進(jìn)行論證分析。

雪荷載 輕鋼結(jié)構(gòu) 選型 計(jì)算 構(gòu)造

1 結(jié)構(gòu)選型

淀粉糖車間主要用途是淀粉糖生產(chǎn)流程中的糖化和成品灌裝，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地較為平整，無(wú)不良地質(zhì)，持力層土層變化均勻。該廠房由伸縮縫分割為幾個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立、工藝連續(xù)部分，糖化區(qū)和成品灌區(qū)分開(kāi)布置。

糖化區(qū)廠房縱向由兩道伸縮縫分割為41m、49m、36m的三部分。伸縮縫處設(shè)置雙柱，每個(gè)溫度區(qū)間設(shè)置柱間支撐一道。成品灌區(qū)縱向長(zhǎng)度38m，設(shè)置柱間支撐一道；屋面支撐與柱間支撐對(duì)應(yīng)布置；依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.8、5.3.9條長(zhǎng)細(xì)比取值。

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》總則1.0.2滿足限定：“單跨或多跨實(shí)腹式門式剛架”、“輕型屋蓋和輕型外墻”、“無(wú)橋式吊車”、“有小于3T的懸掛式起重機(jī)”、“單層鋼結(jié)構(gòu)”；4.2.2條規(guī)定：“門式剛架的平均高度采用4.5～9.0m，當(dāng)有橋式吊車時(shí)不宜大于12m”。故成品灌區(qū)廠房范圍1～1/7軸線，選用兩聯(lián)跨單坡門式剛架，采用插入式柱腳與獨(dú)立基礎(chǔ)；糖化區(qū)廠房范圍1～24軸線，適用于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，選用單坡門式剛架，與附近淀粉糖主廠房柱鉸接，采用插入式柱腳與獨(dú)立基礎(chǔ)。糖化區(qū)廠房東西山墻處設(shè)置抗風(fēng)柱，插入式柱腳，與鋼梁采用螺栓橢圓孔連接。廠房選用Q345B，強(qiáng)度高，節(jié)省投資（如圖1）。

2 荷載取值

2.1 荷載

壓型鋼板及配件、保溫層 0.15kN/m2

屋面檁條、支撐 0.15kN/m2

合計(jì) 0.30kN/m2

天窗自重： 無(wú)天窗

2.2 活荷載

不上人屋面 0.30kN/m2

圖1

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.2.1條，當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載且受荷水平投影面積超過(guò)60m2，屋面豎向均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為0.30kN/ m2。但《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明3.2.1中指出：當(dāng)有兩個(gè)及以上可變荷載考慮荷載組合值系數(shù)參與組合時(shí)(如有積灰荷載)，屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值仍應(yīng)取為0.5kN/m2。

2.3 雪荷載

(1)基本雪壓。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》7.1.2條：基本雪壓應(yīng)采用按本規(guī)范規(guī)定的方法確定的50年重現(xiàn)期的雪壓，對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓。輕鋼結(jié)構(gòu)屬于敏感結(jié)構(gòu)，故基本雪壓取值采用So=0.55kN/m2，u=1，S=u×So=0.55kN/m2，n=100年雪載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)是Ⅲ區(qū)。(2)雪堆積。女兒墻和高低跨高差變化處常發(fā)生雪堆積，因廠房女兒墻較矮，故僅考慮高低跨處雪堆積作用。表7.2.1中第八項(xiàng)，積雪長(zhǎng)度為2倍高差，經(jīng)計(jì)算大于8m，故積雪長(zhǎng)度最大值取8m，屋面積雪均勻分布系數(shù)取最大值為u=2，經(jīng)計(jì)算S=u*So=2×0.55=1.1 kN/m2（如圖2）。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

圖2

圖3

圖4 雪荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖(kN/m)

圖5 雪荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖(kN/m)

淀粉糖車間廠房軸線為A～F高低跨剖面圖如圖3，分別取糖化區(qū)與成品灌區(qū)一榀剛架計(jì)算為例，利用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM (2011年4月版)系列軟件STS模塊進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

3.1 糖化區(qū)剛架

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)。糖化區(qū)剛架跨度19.5m，長(zhǎng)度128m，柱距5.5m，6m，7m；檐口標(biāo)高20.640m，屋面坡度1/15，剛架簡(jiǎn)化為平面形式，按照二維方法計(jì)算，剛架梁豎向撓度與跨度比限值：無(wú)懸掛起重機(jī)，[vT]=l/250、 [vQ]=l/300。 (2)計(jì)算結(jié)果。最大柱距(7+6)/2=6.5m，恒載剛架線性分布值0.3x6.5=1.95kN/m。雪荷載大于活荷載，以雪荷載取值為準(zhǔn)，考慮雪荷載堆積，雪荷載剛架線性分布值分兩部分(如下圖)，①0.55x6.5=3.5 kN/m，②2x0.55x6.5=7kN/m。風(fēng)荷載按照《荷載規(guī)范》要求采用，地震作用不考慮。

經(jīng)計(jì)算，剛架柱選用焊接H型鋼H400x250x8x12，剛架梁選用焊接H型鋼H650x220x8x12， 考慮腹板屈曲后強(qiáng)度利用，梁柱各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。以雪荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖(圖4)為例，其余荷載簡(jiǎn)圖略。

3.2 成品灌區(qū)剛架

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)。成品灌區(qū)剛架兩聯(lián)跨跨度6m、7.5m，長(zhǎng)度38m，柱距6.5m，6m；檐口標(biāo)高8.20m，屋面坡度1/15，剛架簡(jiǎn)化為平面形式，按照二維方法計(jì)算，剛架梁豎向撓度與跨度比限值：無(wú)懸掛起重機(jī)， [vT]=l/180。(2)計(jì)算結(jié)果。最大柱距6.5m，恒載剛架線性分布值0.3x6.5=1.95 kN/m。雪荷載大于活荷載，以雪荷載取值為準(zhǔn)，考慮雪荷載堆積，雪荷載剛架線性分布值分為兩部分(如下圖)，①0.55x6.5=3.5 kN/m，②2x0.55x6.5=7kN/m。風(fēng)荷載按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求采用，地震作用不考慮。

經(jīng)計(jì)算，剛架柱選用H型鋼H250x150x6x8，剛架梁選用H型鋼H200x200x6x8， 考慮腹板屈曲后強(qiáng)度利用，梁柱各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。以雪荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖(圖5)為例，其余荷載簡(jiǎn)略。

考慮屋面坡度，經(jīng)濟(jì)，制造和安裝方便，檁條和墻梁采用冷彎薄壁卷邊C型鋼，Q235鋼，并考慮雪荷載堆積作用計(jì)算。

4 構(gòu)造措施

適當(dāng)增大屋面坡度，有利于排雪。高低跨廠房低跨處和女兒墻處加密檁條或增大檁條規(guī)格。女兒墻取消或者設(shè)計(jì)的盡可能低。屋面梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6.1.6條規(guī)定取值，控制平面外應(yīng)力比小于1，在屋面梁下翼緣受壓區(qū)域檁條設(shè)置隅撐，與計(jì)算的假定相符合。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)于大雪載地區(qū)的同類廠房的設(shè)計(jì)分析具有參考和借鑒意義，只要合理運(yùn)用規(guī)范，加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，認(rèn)真結(jié)構(gòu)計(jì)算，針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和大雪載工況增加構(gòu)造措施，就可以適應(yīng)極端環(huán)境，滿足工藝與結(jié)構(gòu)的要求。

[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì)編.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003).北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

齊彬(1985—),男,河北秦皇島人,助理工程師,中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計(jì)院。