廠房施工采用大跨度門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
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摘要：針對超過65米以上的跨度超大的門式結(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)槲磥硐嚓P(guān)類型的跨度超大的門式結(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：門式鋼架結(jié)構(gòu)；輕量化鋼結(jié)構(gòu)；跨度超大；校核
引言
我國車間廠房建造行業(yè)內(nèi)使用最普遍的門式結(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。針對跨度超大的門式結(jié)構(gòu)鋼架的規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)搭建過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號軸線～D號軸線之間的跨度均為65m，當(dāng)中C號軸線距離D號軸線距離是15m，因此D號軸線為整體結(jié)構(gòu)中受力最集中的門式結(jié)構(gòu)鋼架結(jié)構(gòu)鋼梁。該建筑工程中D號～J號軸線與5號～9號軸線呈現(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決定。
2主體結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)校核
門式結(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，不過現(xiàn)階段仍舊無法實(shí)際推廣，僅能看作安全余量，本工程為單跨度雙相坡度門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)。門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)的校核使用中國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)目抗震等級約為7度（0.10g），規(guī)劃地震類型分類為第一類，施工場地分類為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，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)針對于門式結(jié)構(gòu)鋼架輕量化鋼結(jié)構(gòu)較大的剛架來講是非常必要的，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截楔狀梁單位組合而成。在門式結(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。通過理論校核，鋼柱頂端最高位移量2.223mm，移動(dòng)比1/5，567<H/450。在移動(dòng)比符合設(shè)計(jì)計(jì)算書的狀況下，鋼質(zhì)柱體最高載荷比為0.641，長寬比最大95。鋼結(jié)構(gòu)梁彎曲度允許數(shù)值參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄內(nèi)容，選取l/390。通過校核，鋼梁彎曲值119.7mm，彎曲度比1/480<l/370，鋼結(jié)構(gòu)梁最大載荷比是0.59。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?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，這對于跨度較大的剛架來說是十分有利的。
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?？v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)。跨度中部設(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）針對于跨度超大的門式結(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，這對于大跨度的門式剛架來講是十分有利的。
6結(jié)束語
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)簡單，作業(yè)進(jìn)度快、建造簡易，非常適宜跨度超大的門式結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
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作者：倫光明 單位：廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司