廠房施工采用的大跨度門(mén)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倫光明

摘? 要：針對(duì)超過(guò)65米以上的跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)車間廠房的規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)論研究可以看出，鋼結(jié)構(gòu)如果采取分段改變截面大小的排布模式，能夠降低鋼結(jié)構(gòu)框架的重量，便于生產(chǎn)制作及物流輸送;在鋼質(zhì)柱體腳設(shè)計(jì)成鋼接形式的時(shí)候，能夠行之有效地降低橫向支撐梁跨度中部彎矩和有效撓度，與此同時(shí)，由于減小了鋼結(jié)構(gòu)梁的有效橫截面，使得此種方案具備既科學(xué)又節(jié)約成本的優(yōu)秀特性，能夠?yàn)槲磥?lái)相關(guān)類型的跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用起到適當(dāng)?shù)慕梃b作用。

關(guān)鍵詞：門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu);輕量化鋼結(jié)構(gòu);跨度超大;校核

中圖分類號(hào)：TU391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0084-02

Abstract： According to the conclusion of the planning and design of the lightweight steel structure workshop with a super-large span of more than 65 meters， it can be seen that if the steel structure adopts the arrangement mode of changing the section size by stages， thereby can reduce the weight of the steel structure frame and facilitate production and logistics transportation. When the steel column foot is designed in the form of steel connection， it can effectively reduce the bending moment and effective deflection in the middle of the span of the transversely supported beam. At the same time， due to the reduction of the effective cross section of the steel beam， this scheme has the excellent characteristics of both scientific and cost-saving， and can be used as a reference for the planning， design and practical application of related types of super-large-span portal structure in the future.

Keywords： portal steel frame structure; lightweight steel structure; large span; check

引言

我國(guó)車間廠房建造行業(yè)內(nèi)使用最普遍的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架系統(tǒng)的主體跨度通常是8～35m左右[1]，一般來(lái)講，主體結(jié)構(gòu)跨度大于38m的情況下，需要使用空間網(wǎng)格骨架設(shè)計(jì)形式。針對(duì)跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架的規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)搭建過(guò)去必須從境外原裝進(jìn)口引入，故此該結(jié)構(gòu)使用的情況比較少。本文將詳盡闡述跨度大于65m的跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目情況

該建筑工程項(xiàng)目坐落在東南沿海某市，是一家汽車生產(chǎn)企業(yè)所屬的用于進(jìn)行車輛撞擊情況模擬的試驗(yàn)車間，該車間廠房的獨(dú)特作用要求其建筑工程內(nèi)部必須要具備相當(dāng)大的操作空間，根據(jù)廠家的需求該建筑工程內(nèi)部不能裝備任何形式的支撐鋼梁，結(jié)構(gòu)最大跨度將超過(guò)65m，車輛撞擊情況模擬的試驗(yàn)車間軸線方向的尺寸是55m×65m，當(dāng)中A號(hào)軸線～D號(hào)軸線之間的跨度均為65m，當(dāng)中C號(hào)軸線距離D號(hào)軸線距離是15m，因此D號(hào)軸線為整體結(jié)構(gòu)中受力最集中的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)鋼梁。該建筑工程中D號(hào)～J號(hào)軸線與5號(hào)～9號(hào)軸線呈現(xiàn)帶有弧度的邊框，這樣操作的主要出發(fā)點(diǎn)是希望車輛試驗(yàn)通道可以匯聚到一起從而構(gòu)成的帶圓弧狀的墻邊形狀。

跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)鋼制柱網(wǎng)絡(luò)的排布在車間廠房布局規(guī)劃的過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)鋼制工程的鋼柱網(wǎng)絡(luò)排布首要任務(wù)是必須符合車間生產(chǎn)加工工藝的全部規(guī)范和要求，然后才輪到考慮主體結(jié)構(gòu)的解決方案、造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和外部立面的造型美觀等方面的因素。鋼柱網(wǎng)絡(luò)排布需要最大限度在符合加工方法下，保證總體的建筑材料使用量為盡量少，該建筑工程主體跨度主要是依據(jù)加工方法裝備的限制來(lái)決定。

2 主體結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)校核

門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一種橫向排布的鋼制結(jié)構(gòu)架，縱向排布支持的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該建筑工程的表面軸向線長(zhǎng)度為55×65m，接近正方形結(jié)構(gòu)，另外工程加工方法的規(guī)范及A方向軸下方必須改擴(kuò)建車間廠房，因此最后使用了縱置方向結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)架，橫向鋼結(jié)構(gòu)架支持的主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)解決方案。門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力研究時(shí)適宜按照平面布置考量，通常不計(jì)算金屬蒙皮應(yīng)力效應(yīng)。假如考慮主體結(jié)構(gòu)面板的金屬蒙皮應(yīng)力效應(yīng)能夠提升鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與整體載荷能力，不過(guò)現(xiàn)階段仍舊無(wú)法實(shí)際推廣，僅能看作安全余量，本工程為單跨度雙相坡度門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)。

門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)的校核使用中國(guó)建科院研制的鋼架結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)受力分析軟件，依據(jù)表面存在側(cè)向移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)架受力分析與校核。依據(jù)廠房主體結(jié)構(gòu)和廠房所屬城市的氣候特點(diǎn)：本項(xiàng)目抗震等級(jí)約為7度（0.10g），規(guī)劃地震類型分類為第一類，施工場(chǎng)地分類為Ⅱ類，地表表面精度分類為B類，基礎(chǔ)風(fēng)向壓力為0.75kN/m2，廠房主體理論靈活荷載0.5kN/m2，建筑主體額外荷載0.15kN/m2，建筑屋頂是5%雙向坡度屋檐窗口離地高度是12.78m。

因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)跨度非常大，設(shè)計(jì)校核中使用了分成三段的截面變化的實(shí)體腹式工字造形的橫截面，橫截面的形狀變化符合彎矩曲線的變化趨勢(shì)，第一能夠降低原材料的使用量，第二可以行之有效地降低橫向鋼梁的自身重量，上述優(yōu)點(diǎn)針對(duì)于門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)較大的剛架來(lái)講是非常必要的，與此同時(shí)也有利于生產(chǎn)制造及物流輸送。采取腹板深度的逐漸變化橫截面，高強(qiáng)度橫向鋼梁由6截楔狀梁?jiǎn)挝唤M合而成。

在門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，移動(dòng)比、曲度比、載荷比對(duì)主體結(jié)構(gòu)計(jì)算校核起到主要控制功能。鋼柱頂端位置移動(dòng)參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄內(nèi)容，可選取H/350。通過(guò)理論校核，鋼柱頂端最高位移量2.223mm，移動(dòng)比1/5，567

主體結(jié)構(gòu)的理論校核鋼結(jié)構(gòu)橫截面具體尺寸，鋼結(jié)構(gòu)柱的橫截面具體尺寸是H（1450×543×12×25），鋼結(jié)構(gòu)梁A截的橫截面具體尺寸是H（2200～1900）×380×11×21，B截的橫截面具體尺寸為H（1900×310×13×15），C1加C2截的橫截具體面尺寸是H（1780～2231～1780）×340×15×18，D截的橫截面具體尺寸是H1780×340×11×22，E截的橫截面具體尺寸是H（1780～2055）×360×15×18，鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)梁與鋼質(zhì)柱主體質(zhì)量總和為2，4388kg，即為24.4t。

門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)的鋼柱腳大部分使用平面式鉸鏈連接鋼柱腳，鑒于本建筑工程鋼結(jié)構(gòu)架橫向鋼梁跨度非常大，所以門(mén)式結(jié)構(gòu)中彎矩和曲度非常大，理論設(shè)計(jì)中使用了強(qiáng)度較大鋼柱腳，因?yàn)殇撝虏績(jī)?nèi)應(yīng)力引發(fā)的內(nèi)部應(yīng)力非常大，校核時(shí)抗剪切鍵使用了H（245×145×15）校核時(shí)和鋼柱腳是鉸鏈聯(lián)接的狀況采取了研究，圖1為兩種情況的彎矩包絡(luò)圖，在其它條件相同的情況下，采用剛性柱腳時(shí)橫梁的跨中彎矩及撓度比采用鉸接柱腳時(shí)分別降低了14～18%，梁柱拼接節(jié)點(diǎn)處彎矩亦有所降低，這對(duì)于跨度較大的剛架來(lái)說(shuō)是十分有利的。

3 屋頂體系及和外立面體系構(gòu)成布局

車間廠房的屋頂體系及和外立面體系保護(hù)材質(zhì)選用輕質(zhì)多色造型鋼板。屋頂檁條間隔1.5m，依照多跨度持續(xù)構(gòu)件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，使用“Z”型冷軋薄桶型鋼材Z（245×75×30×2.8），四邊單跨度內(nèi)部都加裝高密度檁條Z（245×75×30×1.55）。檁條跨中間設(shè)兩道剛性支撐，檁條剛性支撐為槽鋼（125×1.6），并在屋脊側(cè)邊兩檁條間設(shè)剛性撐間，形成一個(gè)整體不動(dòng)體系。縱墻墻梁采用“Z”型冷彎薄壁型鋼Z（210×75×30×1.85），弧形墻墻梁因弧度關(guān)系，采用方型鋼“口”（210×6.2），都按多跨度持續(xù)構(gòu)件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)?？缍戎胁吭O(shè)置一處拉筋，在結(jié)構(gòu)最上端墻體鋼梁處設(shè)置斜拉筋用以把拉應(yīng)力傳導(dǎo)到承重功能鋼柱。

4 連通關(guān)鍵點(diǎn)理論設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)架的組合固定使用了半徑是M13.5的10.8級(jí)耐磨型高強(qiáng)度螺栓，扭曲剪切型連接副，其原材料是：螺栓使用的材料為20MnTB，螺母使用的材料為15MnVB，墊圈使用的材料為45號(hào)鋼。連接接觸面采用噴砂處理，并要求按規(guī)范進(jìn)行摩擦面抗滑移系數(shù)試驗(yàn)。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)于跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)鋼架，需要依據(jù)主體結(jié)構(gòu)彎矩的變化采用分部分變化截面的形式，以減輕剛架的自重，尤其是橫梁的自重，同時(shí)方便制作和運(yùn)輸。

（2）大跨度門(mén)式剛架的柱腳設(shè)計(jì)為剛接，可以有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對(duì)于大跨度的門(mén)式剛架來(lái)講是十分有利的。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)載荷鋼結(jié)構(gòu)骨架因?yàn)槌尚统跏茧A段內(nèi)應(yīng)力的影響，提升了主體結(jié)構(gòu)的極限承載力與主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在同樣的負(fù)載作用下，主體結(jié)構(gòu)彎曲度比較小，具備優(yōu)良的使用性能。文章的案例表明，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架比普通鋼屋架節(jié)省材料，也優(yōu)于體外預(yù)應(yīng)力鋼屋架。與此同時(shí)其構(gòu)造比體外預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)進(jìn)度快、建造簡(jiǎn)易，非常適宜跨度超大的門(mén)式結(jié)構(gòu)。

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