關(guān)于某超高門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

孫廣強

[摘 要]在設(shè)計某超高門式剛架工程時，要把規(guī)范理解和軟件計算與前者結(jié)合起來，并通過控制和選取幾個比較重要的參數(shù)，如板件寬厚比、載荷等。從而使設(shè)計思路更加簡便，使相關(guān)的經(jīng)濟支出盡量控制在比較低的范圍之內(nèi)，并為以后的超高門式剛架設(shè)計提供一些簡單的參考。

[關(guān)鍵詞]超高門式鋼架;輕鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計

[中圖分類號]TU392.5 [文獻標(biāo)識碼]A

隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對于建筑工程的施工周期也提出了更高的要求，如何在保證工程質(zhì)量的前提下用更短的時間完成建筑工程的施工成了一個急需解決的問題，在這種情況下多快好省的鋼結(jié)構(gòu)獲得了迅速的發(fā)展。而在鋼結(jié)構(gòu)形式中門式剛架是一種比較傳統(tǒng)的形式，廣泛應(yīng)用于庫房、廠房等結(jié)構(gòu)中。

1 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題

1.1 荷載取值

屋面材料的自重就是屋面恒載，主要包括以下幾個方面：支撐系統(tǒng)、屋面板等，一般情況下0.04kN/m2-0.06kN/m2之間的值為支撐自重，對于屋面板來說，屋面材料的不同往往導(dǎo)致出現(xiàn)差別很大的自重。例如，自重在0.24kN/m2左右的是100厚彩鋼巖棉夾芯板，自重在0.12kN/m2左右的是100厚彩鋼夾聚苯乙烯保溫板，而自重在0.14kN/m2左右的則是輕質(zhì)的GRC保溫板。但是在實際的建筑工程設(shè)計中很多技術(shù)人員在對屋面恒載進行取值時往往不考慮實際情況輕率地取為0.3kN/m2，這樣不僅會浪費原材料，還會使建筑物的質(zhì)量大打折扣并留下安全隱患。因此，計算屋面恒荷時應(yīng)充分考慮到因屋面板材的不同而存在的差異，不能一概而論輕率地取某固定的值，還有一點需要特別注意的是屋面恒荷的取值應(yīng)在0.2kN/m2以上。對于屋面活荷來說，在現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范中，如GB50017-2012鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范等一般情況下都取值為0.5kN/m2，但是在實際中如果構(gòu)件的荷載面積在六十平方米以上，那么活荷載在進行取值時可以乘折減系數(shù)0.6，也就是說這時的活荷載取值可以是0.3kN/m2。符合這個條件的門式剛架，可以取活荷載的值為0.3kN/m2。而在歐美國家的現(xiàn)行規(guī)定中，在設(shè)計門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋時，在原有荷載的基礎(chǔ)上要增加0.15kN/m2-0.5kN/m2。這樣做的主要原因是在極端天氣條件下應(yīng)對可能出現(xiàn)的超載現(xiàn)象。這種做法目前并沒有在我國大范圍推行，在我國相關(guān)的技術(shù)規(guī)范中也沒有規(guī)定。因此，在進行屋面活荷載的取值時，建議取值為0.5kN/m2或者以上，不應(yīng)小于0.5kN/m2。

1.2 鋼材與剛架截面的選取

通常來說，跨度比較小的剛架，一般由強度控制結(jié)構(gòu)。在這種情況下，選用鋼材時要注重鋼材的強度等級，盡量選擇強度等級較高的鋼材，這樣的鋼材翼緣都比較厚，從而使構(gòu)件的截面高度能夠盡量減小，這樣一方面能夠使造價降低，另一方面能夠使結(jié)構(gòu)的安全性得到保證。對于跨度比較大的剛架來說，一般由鋼梁撓度控制結(jié)構(gòu)，這時就要選用翼緣比較薄的鋼材，這種鋼材的腹板一般比較高，這樣鋼梁撓度才能夠得到有效的控制，同時還能夠保證有一定的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于撓度不受鋼材強度的影響，因此相關(guān)的設(shè)計人員可選用價格較低的鋼材，這樣不僅安全可靠，而且經(jīng)濟劃算。構(gòu)件不僅要滿足撓度和強度的要求，同時還要滿足局部穩(wěn)定的要求，所謂的局部穩(wěn)定就是指腹板應(yīng)該達到高厚比的要求，翼緣應(yīng)該達到寬厚比的要求。在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的腹板高厚比要比《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定嚴(yán)格許多，這是因為腹板的屈曲后強度也在輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮范圍中。只有腹板的高度變化在不超過60mm的情況下，才能夠利用腹板屈曲后強度。因此，不能為了降低經(jīng)濟成本而大幅減少用鋼量，從而使變截面構(gòu)件小端頭截面高度過多地減小。

2 工程概況

某地毛米倉的高度為二十米，跨度為三十米，倉庫里面是十六米高的鋼板倉，沒有吊車等設(shè)備，有一千六百五十平方米建筑面積，室內(nèi)外的高差為三百毫米，要求采用門式剛結(jié)構(gòu)進行設(shè)計安裝。此外，該地為七度的抗震設(shè)防烈度，基本的地震加速度值在設(shè)計中為0.10g。該地距離海洋較近，基本的風(fēng)壓0.6kN/m2。工程中采用Q345B級鋼，結(jié)構(gòu)安全等級為2級。

3 結(jié)構(gòu)布置

焊接H型截面門式剛架是該工程的主承力體系，壓型鋼板輕型材料是建造外墻圍護結(jié)構(gòu)和屋頂?shù)闹饕牧?。剛架柱柱腳固結(jié)，要采用全高等截面的柱子。為了使柱子平面外的計算長度能夠盡量減小，使整體結(jié)構(gòu)空間的穩(wěn)定性得到保證，就要在廠房縱向每榀鋼架柱間除了設(shè)置剛性系桿在柱頂之外，還要額外設(shè)置兩道剛性系桿在柱中。同時還要設(shè)置通長剛系桿在屋蓋的縱向，它們之間的間距一般在四點五米到五點五米之間。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

該建筑工程的實際高度為二十米，這個值高于GB51022-2015《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中十八米的要求，因此在實際的設(shè)計過程中不能完全參照《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)該對其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范進行參考。

4.1 載荷

恒載、活載以及風(fēng)荷載都在載荷需要考慮的范圍之內(nèi)。其中根據(jù)《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》和GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取風(fēng)荷載的較大值。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)，柱子有更大的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載，而梁有更大的《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》風(fēng)荷載。鑒于以上這種情況，建議采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》風(fēng)荷載來進行結(jié)構(gòu)整體的計算，在進行屋面斜梁的驗算時可以使用《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》風(fēng)荷載。在輸入柱子的風(fēng)荷載后，計算時可以采用梯形荷載等方式。

4.2 板件寬厚比控制

確保廠房框架延性的重要指標(biāo)之一就是構(gòu)件的板件寬厚比，另外這個指標(biāo)還對建筑工程中單位面積用鋼量有著重大的影響。因為《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的限制高度已經(jīng)不適用于該建筑工程，因此在進行控制時不建議采用《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》。對于輕屋蓋廠房來說，如果它的設(shè)防烈度在八度或者以下，就能夠采用性能化設(shè)計，這種方法有兩種情況：一是低延性和高彈性承載力，二是高延性和低彈性承載力，也就是說在不同地震作用的承載力情況下，如果構(gòu)件的強度和穩(wěn)定都能夠達到的一定的要求，那么就允許構(gòu)件在計算彈性設(shè)計階段板件寬厚比時采用不同的限值。該建筑工程的性能設(shè)計方法采用“低延性和高彈性承載力”，也就是說當(dāng)有較高的地震作用承載力時，如果結(jié)構(gòu)能夠滿足這一要求，就能夠允許構(gòu)件在計算彈性設(shè)計階段板件寬厚比時采用比較低的限值，這就使板件寬厚比的要求在一定程度上放寬了。當(dāng)有兩倍多的地震作用承載力時，如果結(jié)構(gòu)能夠滿足這一要求，那么就允許構(gòu)件在計算彈性階段板件寬厚比時采用GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)規(guī)范》的限值。

4.3 柱頂位移控制以及梁撓度

在本建筑工程中沒有橋式吊車，因此可以采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)規(guī)范》中無橋式吊車的單層框架柱頂位移H/150的限值來進行柱頂位移的控制，但是從施工現(xiàn)場的實際情況出發(fā)，由于毛米倉距離廠房內(nèi)鋼柱太近，因此在進行柱頂位移控制時，取限值的H/180。經(jīng)過計算后，可以知道本建筑工程由風(fēng)荷載控制柱頂?shù)奈灰?。為了使柱頂?shù)乃轿灰频玫匠浞值臐M足，柱截面在增大時屋面的梁截面也要隨之增大，這樣就會很少使用到梁，同時還能夠充分保證梁的撓度。因此，在滿足整體計算要求和板件構(gòu)造的基礎(chǔ)上，要使梁截面盡可能地減小，這樣有利于節(jié)約原材料。

5 結(jié)語

該建筑工程所選取的柱頂位移限值參數(shù)和荷載都比較合適，同時在設(shè)計超高門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)時采用了“低延性和高彈性承載力”的性能設(shè)計方法，這樣一方面使結(jié)構(gòu)的安全性得到保證，另一方面又降低了經(jīng)濟成本。

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