輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)分析?

摘要：為更好地了解門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程，通過(guò)對(duì)門式鋼架結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并結(jié)合實(shí)際工程，以主體結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，得到構(gòu)件在荷載組合下的內(nèi)力情況、強(qiáng)度、穩(wěn)定性指標(biāo)以及在不同荷載作用下的側(cè)移情況。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算可得：構(gòu)件尺寸滿足強(qiáng)度應(yīng)力比和平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)的位移均在限制條件內(nèi)，為輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一般設(shè)計(jì)流程，并提出相關(guān)注意事項(xiàng)，為相似工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度應(yīng)力比；位移

中圖分類號(hào)：TU3 """"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"""""文章編號(hào)：

The Application and Design Analysis of Light-Weight Building in Industrial Building

SONG Dongzhe1， LIU Songpian1， ZHANG Bingquan2x

（1.MMI Planning amp; Engineering Institute IX Co.，Ltd.，Changchun Jilin 130118，China;2.Jilin

Research and Design Institute of Building Science，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract： In order to understand the design process of steel structure of light-weight building， through the introduction of steel structure of light-weight building with gabled frames and computation index. Combined with the actual engineering， the main structure is taken as the main research object to calculate， and the internal force with the component under the load combination， strength and stability index and the lateral displacement under different loads are obtained. After preliminary calculation， it can be concluded that the component size meets the requirements of strength-stress ratio， in-plane and out-of-plane stability， and the displacement of the structure is within the limiting conditions under the load， which provides a general process for the design of light-weight building， and provide some announcements for other project as reference.

Keywords： light-weight building; strength-stress ratio; displacement

0 引言

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了限制期、擴(kuò)大期、推廣期，直至2000年進(jìn)入鼎盛時(shí)期。輕鋼結(jié)構(gòu)因其美觀、抗震性能好、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)被廣泛使用。諸多學(xué)者也對(duì)門式剛架的各種性能開(kāi)展研究[1-3]，深入分析了火、雪等因素對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的影響，從而推動(dòng)了輕鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。2007年，牛保有[4]對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，分析了不同參數(shù)信息下輕鋼結(jié)構(gòu)的性能；2008年，宋玉華[5]對(duì)輕鋼設(shè)計(jì)計(jì)算給出了一般流程，并通過(guò)有限元對(duì)剛架進(jìn)行優(yōu)化分析，達(dá)到了初步目標(biāo)；2012年，陳素娜等[6]對(duì)大空間單跨剛架的抗火因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為門式剛架的抗火、消防等具有重要參考價(jià)值。在廣大學(xué)者的積極推進(jìn)下，更多研究人員將研究?jī)?nèi)容從整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向了局部結(jié)構(gòu)[7-9]。

目前對(duì)門式剛架輕型結(jié)構(gòu)的研究大多是建立在有限元模擬之上，很少有研究以實(shí)際工程為案例予以分析。因此，本文以廣漢市某實(shí)際工程為例，采用PKPM對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維平面初步設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)工程提供參考。

1 理論介紹

1.1 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的組成

1.1.1 基本形式

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB 51022—2015[10]指出：門式剛架可分為單跨、多跨、帶挑檐、帶毗屋等形式。

1.1.2 適用條件

結(jié)合上述規(guī)范與《鋼結(jié)構(gòu)手冊(cè)》[11]中對(duì)門式剛架的要求，可歸為以下幾點(diǎn)要求。

1） 單跨跨度不宜超過(guò)48 m。

2） 當(dāng)存在A1～A5級(jí)橋式吊車時(shí)，吊車起重不宜大于20 t，懸掛類吊車不宜超過(guò)5 t。

3） 有可靠依據(jù)時(shí)，可進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并對(duì)相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行調(diào)整。

1.1.3 基本組成

門式剛架輕型房屋主要由主體承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成。

1） 主體承重結(jié)構(gòu)多采用等截面或變截面實(shí)腹焊接工字鋼形式。在設(shè)計(jì)中，考慮到成本因素，常采用變截面形式。各構(gòu)件間通過(guò)高強(qiáng)度螺栓端板連接，因跨度較大時(shí)，鋼梁亦采用上述手段進(jìn)行連接。

2） 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由屋面檁條、墻面檁條、拉條、系桿、屋面支撐及柱間支撐組成。其中，屋面檁條和屋面板共同組成屋面圍護(hù)系統(tǒng)承受屋面荷載；墻面檁條和拉條組成墻面圍護(hù)系統(tǒng)，主要承受墻板自重和水平方向風(fēng)荷載。

無(wú)論是屋面支撐，還是柱間支撐，其目的均是與剛架形成完整體系，增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，提高主剛架的受力性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。剛架傳力路徑見(jiàn)圖1。

1.2 門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算指標(biāo)

計(jì)算指標(biāo)主要包含：強(qiáng)度應(yīng)力、穩(wěn)定性、位移。其中，應(yīng)力強(qiáng)度指構(gòu)件應(yīng)滿足其抗彎、抗剪、抗壓、抗拉等特性，以滿足結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，避免構(gòu)件發(fā)生破壞；穩(wěn)定性包含平面內(nèi)穩(wěn)定性、平面外穩(wěn)定性，依靠支撐保證結(jié)構(gòu)整體的平穩(wěn)，避免發(fā)生屈曲而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞；位移指構(gòu)件在荷載作用下發(fā)生的水平和豎直位移，該指標(biāo)在一定程度上直接反映在視覺(jué)感官上，因此應(yīng)嚴(yán)格控制位移變化以防止構(gòu)件發(fā)生明顯位移影響結(jié)構(gòu)整體安全。

2 工程實(shí)例

為更好地說(shuō)明門式剛架在廠房中的應(yīng)用與計(jì)算過(guò)程，以某工程為實(shí)例，對(duì)剛架進(jìn)行算例分析，根據(jù)所受荷載情況，初步預(yù)設(shè)構(gòu)件尺寸，利用PKPM進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合結(jié)果予以修正，最后給出構(gòu)件的位移變化。因篇幅限制，本文不對(duì)圍護(hù)構(gòu)件、基礎(chǔ)、節(jié)點(diǎn)等其他結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行詳細(xì)介紹，在此僅給出主體剛架的計(jì)算結(jié)果和分析，其一般設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

2.1 計(jì)算信息

本工程中，主要存在屋面荷載、夾層荷載、風(fēng)荷載以及雪荷載，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。地震烈度為7度，0.10 g，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地類別Ⅱ類。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3.

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 構(gòu)件尺寸、驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)上述荷載信息，以初設(shè)、驗(yàn)算、調(diào)整為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行調(diào)試，重復(fù)循環(huán)直至各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果滿足要求，梁、柱尺寸信息見(jiàn)表2～表3。

2.2.2 內(nèi)力組合

在此工程中，梁、柱內(nèi)力組合共形成了96種組合，此處不一一列舉，梁柱各給出一組以示內(nèi)力內(nèi)容。柱內(nèi)力組合見(jiàn)表4，梁內(nèi)力組合見(jiàn)表5。

構(gòu)件詳細(xì)指標(biāo)見(jiàn)圖4～圖5，由此可知：構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。其中，應(yīng)力比主要在0.2～0.7，剪應(yīng)力比主要在0～0.2。該指標(biāo)在一定程度上反映出構(gòu)件承載力的使用情況，但在存在夾層、抽柱、托梁等工況時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)部分構(gòu)件使用率過(guò)小的情況，考慮到在工業(yè)廠房中受到工藝布局的限制，會(huì)考慮將某些構(gòu)件尺寸在合理范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.4 位移計(jì)算結(jié)果

在各種荷載作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生橫向和豎向位移。此工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下產(chǎn)生的位移見(jiàn)圖6～圖7。

由圖6可知：構(gòu)件在恒、活荷載作用下，整體位移較小，基本維持在2 mm左右；而僅在某一局部位置才產(chǎn)生較大位移，節(jié)點(diǎn)8位置位移達(dá)到約15 mm。將恒荷載與活荷載的位移變化進(jìn)行對(duì)比，活荷載對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響更大，因此，在設(shè)計(jì)前，應(yīng)充分考慮活荷載的取值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案使用，避免因荷載過(guò)大使結(jié)構(gòu)超負(fù)荷承重。

由圖7可知：構(gòu)件在風(fēng)荷載、地震作用下產(chǎn)生的位移基本呈對(duì)稱式分布。其中，結(jié)構(gòu)在風(fēng)吸力下產(chǎn)生的位移約為3 mm，在風(fēng)壓力下產(chǎn)生的位移約為-3 mm；在左震作用下位移約為9 mm，右震下約為-9 mm。將風(fēng)荷載與地震作用產(chǎn)生的位移進(jìn)行比較，明顯看出在此工程中的地震作用比風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移更大。一般情況下，風(fēng)荷載是使輕鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移的主要因素，但由于本項(xiàng)目所在場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，0.10 g，同時(shí)風(fēng)荷載只有0.30 kN/㎡，故地震作用下的水平位移值大于風(fēng)荷載作用下的水平位移值。

2.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)分析

1） 設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意各項(xiàng)荷載的取值，做到不漏荷載、合理取值。

2） 控制構(gòu)件尺寸，避免尺寸過(guò)大造成用鋼量過(guò)大，也間接降低成本；選擇合理的柱距對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、梁柱尺寸的調(diào)整、經(jīng)濟(jì)性有著重要作用。

3） 對(duì)于計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)強(qiáng)度超限，可適當(dāng)調(diào)整構(gòu)件的高度；對(duì)于穩(wěn)定性超限，可增加慣性矩或減少計(jì)算長(zhǎng)度；對(duì)于位移、撓度超限，可增加構(gòu)件截面、高度；對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比超限，可減小計(jì)算長(zhǎng)度、增大截面。

4） 應(yīng)根據(jù)基本力學(xué)假設(shè)、理論對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行人為復(fù)核，使結(jié)果更可靠、合理。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程為例，進(jìn)行輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析，并提出一些注意事項(xiàng)，主要得出如下結(jié)論。

1） 系統(tǒng)介紹了輕鋼的基本形式、受力途徑、結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)流程，可為相關(guān)人員提供參考。

2） 通過(guò)工程實(shí)例，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，本次設(shè)計(jì)最大應(yīng)力比達(dá)到0.7；最大位移為15 mm；此工程中因地震作用而產(chǎn)生的位移影響強(qiáng)于風(fēng)荷載的影響；結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

3） 提出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題和針對(duì)計(jì)算結(jié)果的解決辦法，對(duì)解決類似的實(shí)際工程有一定參考意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊洋