單層門式剛架廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單層門式剛架廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近年來(lái)，單層門式剛架以其自重輕、跨度大、工業(yè)化程度高、安裝方便快捷以及可拆卸重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于廠房設(shè)計(jì)中。對(duì)單層門式剛架廠房的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析總結(jié)，并結(jié)合理論和實(shí)例分析對(duì)廠房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討。1.計(jì)算模型與整體分析(1)計(jì)算模型：對(duì)于大多數(shù)廠房而言，由于其長(zhǎng)寬比較大，結(jié)構(gòu)最不利方向比較明顯，且橫向主剛架采用剛接，縱向采用剛性系桿等構(gòu)件鉸接連接，通過(guò)設(shè)置支撐來(lái)形成幾何不變體系，所以多采用二維平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析；而對(duì)于一些長(zhǎng)寬比較小的廠房，如果縱向采用支撐桁架來(lái)連接，剛架兩個(gè)方向剛度相差不大，此時(shí)結(jié)構(gòu)形式已接近框架結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算。(2)荷載：應(yīng)注意懸掛荷載不可遺漏；對(duì)于多跨多坡廠房或有女J兒墻、天溝的廠房還應(yīng)注意考慮風(fēng)、雪荷載不利作用和活荷載的不利布置對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0.5kN/m2^檁條等構(gòu)件的設(shè)計(jì))，但對(duì)受荷水平投影面積大于60m2的主剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3kN/m2。(3)風(fēng)荷載和地震作用：風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。由于單層門式剛架質(zhì)量較輕，地震反應(yīng)較小，在不大于7度區(qū)的地方，廠房的整體計(jì)算通常由風(fēng)、雪、活荷載控制，因此在這些地方，一般不需作剛架的抗震驗(yàn)算。對(duì)浙江地區(qū)而言，由于風(fēng)荷載較大，一般單層廠房(無(wú)吊車或吊車較輕)的整體計(jì)算通常由風(fēng)荷載控制，構(gòu)件設(shè)計(jì)由變形控制。⑷變形驗(yàn)算：相對(duì)于強(qiáng)度驗(yàn)算，單層門式剛架廠房的變形驗(yàn)算往往容易忽視。剛架的變形驗(yàn)算應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：計(jì)算剛架變形時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可不考慮螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面計(jì)算。剛架的變形驗(yàn)算主要包括剛架柱頂位移和剛架梁的撓度驗(yàn)算兩個(gè)方面，具體要求見(jiàn)表1[2]。2.柱腳及基礎(chǔ)(1)柱腳：?jiǎn)螌娱T式剛架廠房多采用外露式柱腳，且多按鉸接設(shè)計(jì)；當(dāng)廠房有5t以上橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。設(shè)計(jì)柱腳錨栓時(shí)，應(yīng)使錨栓的屈服在底板和柱構(gòu)件的屈服之后，因此，設(shè)計(jì)中對(duì)錨栓應(yīng)有足夠的余量。柱腳在地面以下的部分應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)較低的混凝土包裹(保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm)，并應(yīng)使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。當(dāng)柱腳底面在地面以上時(shí)，柱腳底面應(yīng)高出地面不小于100mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，未采用混凝土包裹的柱腳，即使采取了其他防銹措施，柱腳錨栓、底板等也出現(xiàn)了不同程度的銹蝕，存在著安全隱患，因此當(dāng)柱腳在地面以上時(shí)，如果廠家使用無(wú)礙，宜同樣采用混凝土包裹。(2)基礎(chǔ)：?jiǎn)螌娱T式剛架廠房的基礎(chǔ)可采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。對(duì)于采用鉸接柱腳的廠房，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)由柱底軸力控制；而對(duì)于采用剛接柱腳的廠房，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)大多由柱底彎矩控制，此時(shí)應(yīng)注意柱下獨(dú)立基礎(chǔ)零應(yīng)力區(qū)的控制。由前面的分析可知，浙江地區(qū)單層門式剛架廠房設(shè)計(jì)主要由風(fēng)荷載控制，因此抗規(guī)4.2.4條：“基礎(chǔ)底面與地基土之間零應(yīng)力區(qū)面積不應(yīng)超過(guò)基礎(chǔ)底面面積的15%”在此并不適用?？紤]到風(fēng)荷載峰值出現(xiàn)概率較高且工程上有剛架在大風(fēng)時(shí)基礎(chǔ)被拔起的實(shí)例，因此單層門式剛架廠房基礎(chǔ)不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)(對(duì)無(wú)吊車的門式剛架廠房可適當(dāng)允許出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū))，有條件的地區(qū)，基礎(chǔ)底板上方可采用毛石灌砂或漿砌毛石回填以增加回填土自重。3單層門式剛架廠房的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)⑴主剛架：主剛架由邊柱、剛架梁、中柱等構(gòu)件組成。邊柱和梁通常根據(jù)門式剛架彎矩包絡(luò)圖的形狀設(shè)計(jì)成變截面以達(dá)到節(jié)約材料的目的（有吊車的廠房通常在牛腿處變截面）；中柱以承受軸力為主，一般可采用等截面。對(duì)于一些跨度較大吊車較重的廠房也可采用格構(gòu)式柱。屋面坡度（剛架梁坡度）宜取1/8~1/20，在雨水較多的地區(qū)宜取其中的較大值。浙江地區(qū)一般取1/10。⑵支撐體系：在設(shè)置支撐時(shí)應(yīng)注意在設(shè)置柱間支撐的開(kāi)間，宜同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。廠房不設(shè)置吊車或設(shè)置5t以下吊車時(shí)，可采用圓鋼支撐以降低造價(jià)；廠房設(shè)置5t及以上吊車時(shí)，柱間支撐宜采用型鋼支撐；在設(shè)有帶駕駛室且起重量大于15t橋式吊車的跨間應(yīng)在屋蓋邊緣設(shè)置縱向支撐桁架。屋蓋橫向支撐宜設(shè)在溫度區(qū)間端部的第一個(gè)或第二個(gè)開(kāi)間，當(dāng)端部支撐設(shè)在第二個(gè)開(kāi)間時(shí)，在第一個(gè)開(kāi)間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿。⑶檁條和墻梁：除檁條和墻梁的強(qiáng)度和撓度計(jì)算外，檁條和墻梁在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定性計(jì)算尤其應(yīng)該引起注意。工程實(shí)踐表明，檁條和墻梁的破壞大部分是在風(fēng)吸力作用下的失穩(wěn)。⑷抗風(fēng)柱：抗風(fēng)柱主要承受水平力，豎向允許和剛架產(chǎn)生相互位移，因此應(yīng)注意抗風(fēng)柱與剛架的連接形式。浙江地區(qū)常用的連接形式有以下兩種。.單層門式剛架廠房的實(shí)例分析遵循以上設(shè)計(jì)分析，筆者進(jìn)行了很多實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)將其中一個(gè)工程概況簡(jiǎn)述如下：工程所在地浙江地區(qū)某地，基本風(fēng)壓0.6kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15m/s2（圖3,圖4）。實(shí)例一：1#倉(cāng)庫(kù)。柱距7.5m，雙跨多坡，每跨27m，無(wú)吊車，柱腳采用鉸接，主剛架、檁條、支撐均采用Q235B。邊柱H(300?800)x250x8x10;中柱H(300?600)x250x8x10;抗風(fēng)柱H300x200x6x8;檐口高度5.0m，剛架梁在兩端1/5范圍內(nèi)變截面H(900?350)x200x6x10，在跨中1/6范圍內(nèi)變截面H(350?500)x200x6x10中間截面H350x200x6x10。檁條、墻梁均采用C250x70x20x2.5，采用兩道拉條。實(shí)例二：2#廠房。柱距7.5m，雙跨雙坡，每跨18m,5t橋式吊車三臺(tái)(其中一跨兩臺(tái))，柱腳采用固接，主剛架采用Q345B，檁條、支撐均采用Q235B。邊柱H450x250x10x12(H450x250x8x12);中柱H450x250x8x12；抗風(fēng)柱H400x200x6x8;檐口高度9.8m，剛架梁在兩端1/5范圍內(nèi)變截面H(650?350)x280x6x8，中間截面H350x180x6x8。檁條、墻梁均采用C250x70x20x2.5，采用兩道拉條。.單層門式剛架廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)所謂單層門式剛架廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在滿足計(jì)算要求下，盡量達(dá)到節(jié)省材料的目的。根據(jù)以上理論和實(shí)例分析，對(duì)剛架廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行以下初步探討。⑴結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：當(dāng)廠房設(shè)計(jì)使用年限為25年時(shí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取不小于0.95。這項(xiàng)規(guī)定對(duì)使用年限較少的廠房可降低用鋼量。(2)門式剛架的柱距：一般情況下，門式剛架的柱距應(yīng)在6~9m之間，超過(guò)9m時(shí)，屋面檁條與墻梁體系的用鋼量將增加很多(浙江地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，7.5m柱距時(shí)檁條、墻梁經(jīng)濟(jì)性較好)；而主剛架的用鋼量隨著柱距的增大變化相對(duì)較小，如果需要較大柱距時(shí)，也可采用格構(gòu)式檁條來(lái)降低用鋼量。⑶門式剛架的經(jīng)濟(jì)跨度：一般門式剛架的經(jīng)濟(jì)跨度在18~30m，跨度較大時(shí)，用鋼量呈明顯上升趨勢(shì)，因此不可盲目追求大跨度。⑷多跨廠房：對(duì)于多跨廠房，當(dāng)有大噸位吊車時(shí)，應(yīng)盡量布置到中間跨(中柱以承受軸力為主)；多跨廠房由于側(cè)向剛度較大，在柱距、跨度及吊車噸位相差不多的情況下，其經(jīng)濟(jì)性比單跨廠房要好。(5)對(duì)于主剛架截面：變截面柱的最大截面高度取最小截面高度的2~3倍為較優(yōu)截面；剛架梁變截面長(zhǎng)度一般取跨度的1/6~1/5較為經(jīng)濟(jì)。對(duì)于主剛架采用的鋼材，可以遵循以下原則：當(dāng)梁柱截面為變形控制時(shí)，宜采用Q235等碳素結(jié)構(gòu)鋼；當(dāng)梁柱截面為強(qiáng)度控制時(shí)，宜采用Q345等低合金結(jié)構(gòu)鋼。⑹靈活運(yùn)用剛性系桿及隅撐：當(dāng)檐口較高時(shí)，可在柱平面外設(shè)置剛性系桿或隅撐來(lái)降低柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度，也可在檁條、墻梁兩端設(shè)置隅撐來(lái)降低梁柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度。(7)剛性系桿可由檁條兼作，此時(shí)檁條應(yīng)滿足對(duì)壓彎構(gòu)件的剛度和承載力要求。⑻拉條的使用：對(duì)檁條進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，可優(yōu)先考慮拉條的使用，以降低檁條的截面。(9)連續(xù)檁條：檁條和墻梁的用鋼量約占總用鋼量的1/3左右，雖然連續(xù)檁條的長(zhǎng)度比簡(jiǎn)支的長(zhǎng)，但是其斷面要比簡(jiǎn)支小，總的比較連續(xù)檁條要比簡(jiǎn)支檁條用鋼量低。缺點(diǎn)是施工麻煩，一般工程中廠家不愿采用。(10)屋面板：應(yīng)盡量采用由自攻螺絲連接的屋面板以阻止檁條上翼緣側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，同時(shí)可使蒙皮效應(yīng)能