輕型門式剛架廠房設(shè)計相關(guān)問題的研究與優(yōu)化

但 敏，賀培源

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010050； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010050)

1 輕型門式剛架廠房特點(diǎn)

輕型門式剛架是種輕鋼結(jié)構(gòu)，主要由剛架梁、剛架柱、檁條、圍護(hù)板等構(gòu)件組成。除剛架梁與剛架柱采用熱軋型鋼外，其他材料主要是冷彎薄壁型鋼與壓型鋼板[1]。

1.1 輕鋼優(yōu)勢

輕鋼結(jié)構(gòu)承載力強(qiáng)，塑性、韌性好，適宜建造荷載大、跨度大、高聳的建筑結(jié)構(gòu)。設(shè)計階段結(jié)構(gòu)布置靈活，廠房施工空間利用率高。

1.2 施工簡便

門式剛架施工組織簡明，制作安裝簡便，施工質(zhì)量可控可靠。加上相對其他結(jié)構(gòu)形式所需鋼材少，施工成本也更低。在結(jié)構(gòu)重要節(jié)點(diǎn)等部位設(shè)置支撐體系，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，縮短工期。

1.3 經(jīng)濟(jì)效益好

構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的工廠化、機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)降低了生產(chǎn)成本，縮短了工期。此外，鋼結(jié)構(gòu)拆裝移動使得鋼材重復(fù)利用，更環(huán)保，同時其所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益也非常好。

2 案例分析

以某輕型門式剛架廠房為例，對設(shè)計中存在的幾個問題進(jìn)行了研究。該廠房主體為鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限50年。呼和浩特市抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)安全等級二級，場地粗糙度B類，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計

A.荷載計算：建立門式剛架結(jié)構(gòu)模型并布置荷載。剛架柱所受荷載除計算結(jié)構(gòu)所受荷載外，還要考慮偏心荷載的偏心距[1]。廠房里較多機(jī)械設(shè)備、貨物，進(jìn)場會產(chǎn)生堆積荷載，需增大基礎(chǔ)偏心距，工程設(shè)計需對此進(jìn)行驗算。門式剛架重量輕，水平荷載影響較大，因此在設(shè)計中應(yīng)重視由風(fēng)荷載引起的水平力。

B．加大基礎(chǔ)埋深：一般基礎(chǔ)埋置深度越淺造價越低。但為加大柱腳抗剪能力，降低抗剪鍵的位移及1/3埋深處的彎矩，必要時可增大基礎(chǔ)埋深。

C.改變基礎(chǔ)形式：基礎(chǔ)形式不同，內(nèi)力差異很大，設(shè)計時需依據(jù)工程實(shí)際對廠房基礎(chǔ)形式進(jìn)行調(diào)整。無鉸剛架為三次超靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力分布較均勻，剛度好，但柱底彎矩較大，對基礎(chǔ)與地基的要求較高，在地基條件較差時需慎用。兩鉸剛架為一次超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向或水平荷載作用下，剛架內(nèi)彎矩比無鉸剛架大，但其構(gòu)造簡單，省工省料且基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響。三鉸剛架為靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化、地基變形或基礎(chǔ)不均勻沉降對結(jié)構(gòu)內(nèi)力無影響，但三鉸剛架梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩較大，剛度小，不適于重型橋式吊車廠房，僅用于無吊車或小噸位懸掛吊車的廠房。

2.2 屋面構(gòu)件的布置

部分工程人員因?qū)ㄖW(xué)知識不熟，屋面構(gòu)件布置時，僅設(shè)置直拉條而未設(shè)置或部分設(shè)置斜拉條及撐桿，這是不合理的。拉條可防止檁條側(cè)向變形及扭轉(zhuǎn)，并為其提供側(cè)向支承。因此在屋脊處、檐口處及天窗兩側(cè)應(yīng)設(shè)置剛性撐桿和斜拉條，拉條數(shù)量要足夠。檁條跨度>4 m時，應(yīng)在檁條跨度二分點(diǎn)處設(shè)置拉條；當(dāng)檁條跨度>6 m時，應(yīng)在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條。

當(dāng)剛架梁下翼緣受壓時，須在受壓翼緣兩側(cè)布置隅撐(山墻處剛架僅布置在一側(cè))作為剛架梁的側(cè)向支承，隅撐另一端連接在檁條上。該廠房底部1.2 m采用砌體墻面，在剛架柱外皮砌筑構(gòu)造柱，在窗頂布置圈梁，圈梁與構(gòu)造柱整澆。由于圈梁和砌體墻對剛架柱作用在柱的外側(cè)翼緣，而實(shí)際剛架柱是內(nèi)側(cè)翼緣受壓且材料屬性差異大，受荷可能會引發(fā)墻體開裂及剛架柱失穩(wěn)。對此，設(shè)計人員應(yīng)通過增設(shè)縱向通長系桿的數(shù)量加強(qiáng)鋼架柱的整體穩(wěn)定性，且此系桿作為廠房縱向承重體系的重要部分，與其他支撐體系互不影響[2]。

2.3 柱間支撐的布置

柱間支撐和屋面支撐應(yīng)布置在同一開間內(nèi)，形成抵抗縱向水平荷載的空間桁架。支撐間距一般為30～45 m，不應(yīng)超過60 m。支撐桿為45°傳遞水平荷載最有效，當(dāng)剛架柱較高，布置單層柱間支撐角度無法滿足要求時，可布置上下雙層柱間支撐。支撐可布置在溫度區(qū)段的第一或第二開間，當(dāng)布置在第二開間時，第一開間應(yīng)設(shè)置剛性系桿，剛架柱頂、屋脊等重要節(jié)點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置通長剛性系桿。

2.4 柱腳設(shè)計

本工程采用剛性柱腳，針對部分柱腳底板孔隙，剛架吊裝完畢后，須用細(xì)石混凝土灌漿密實(shí)見圖1，確保柱腳可靠傳遞彎矩。為此，在設(shè)計環(huán)節(jié)就要對柱腳底板開孔溢漿，并在圖紙上進(jìn)行補(bǔ)充說明，為工程二次澆筑做好準(zhǔn)備。本工程基礎(chǔ)埋置于季節(jié)性漲水河槽附近，柱腳易產(chǎn)生銹蝕問題，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205-2001)有關(guān)規(guī)定[3]及地質(zhì)水文資料，使用低強(qiáng)度混凝土對地面以下鋼柱腳進(jìn)行了防護(hù)，混凝土保護(hù)層取100 mm且高出地面250 mm。

圖1 剛架柱柱腳

圖2 抗風(fēng)柱與剛架梁連接節(jié)點(diǎn)

2.5 抗風(fēng)柱設(shè)置

工程上有兩種簡易的門式剛架抗風(fēng)柱做法：A.將山墻抗風(fēng)柱與剛架梁連接，抗風(fēng)柱作為承重構(gòu)件相應(yīng)地承擔(dān)橫向和縱向水平荷載。但通常又不作剛架縱向受力分析，作為邊榀抗風(fēng)柱，荷載首當(dāng)其沖，如果沒有可靠的縱向傳力構(gòu)件，這樣會使抗風(fēng)柱成為危險構(gòu)件，此種做法不妥。B.抗風(fēng)柱與剛架柱同在山墻位置，抗風(fēng)柱鉸接于鋼架梁，不考慮抗風(fēng)柱豎向荷載作用。這種做法最大弊端是難以有效傳遞風(fēng)荷載。本工程采用邊榀剛架與抗風(fēng)柱錯開600 mm，抗風(fēng)柱與剛架梁通過焊接連接板采用長圓形螺栓孔相連，連接螺栓采用普通螺栓，做法見圖2，可避免構(gòu)造缺陷。

3 結(jié)語

輕型門式剛架具有諸多優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)、住宅及公共建筑結(jié)構(gòu)的重要形式之一。結(jié)合工程實(shí)踐對輕型門式剛架廠房設(shè)計中存在的問題，在基礎(chǔ)設(shè)計、屋面構(gòu)件布置、柱腳設(shè)計和抗風(fēng)柱連接上進(jìn)行研究總結(jié)并提出優(yōu)化措施，以供參考。