变截面门式刚架轻钢厂房设计.pdf

50 钢 铁 技 术 2000 年第 4 期 土 建 变截面门式刚架轻钢厂房设计 变截面门式刚架轻钢厂房设计 建工分院 邹亦农 摘 要 介绍了变截面门式刚架轻钢厂房的应用前景 结构特点和使用性能及相应的设计要求 关键词 门式刚架 轻钢结构 厂房设计 1 前言 1 1 门式刚架轻钢房屋的应用及前景 门式刚架轻钢结构房屋是以单跨或多跨 门式刚架作为主要承重结构 其屋面和外墙 采用冷弯薄壁型钢桁条及压型钢板 外墙也 可采用砖墙 的建筑 门式刚架结构体系一般应用于轻型工业 厂房 仓库式工业建筑 超级市场 文化娱 乐设施 体育场馆和活动房屋 以及旧建筑 物的加层改造等 这种结构外形简洁 美观 节省钢材 安装方便 施工速度快 造价相对较低 并 可形成系列化和装配化 能像其它商品一样 进行批量生产 是目前最具有竞争力的轻型 钢结构的结构形式之一 随着国产轧制薄壁 H 型钢的大批量生 产 将极大地推动门式轻型钢结构的发展 综合经济效益将更加显著 1 2 变截面门式刚架的适用条件 对于柱顶侧向位移要求不严的无吊车或 有 20t 以下悬挂式吊车的单层厂房 柱子与 基础一般设计成铰接 为节省钢材 充分利 用截面强度 往往根据柱子弯矩的变化 将 柱子设计成上大 下小 柱底截面高度一般 只有 200mm 300mm 的变截面柱 同样 横 梁亦可以根据弯矩图的变化设计成变截面 变截面一般只改变腹板高度 必要时也 可改变腹板厚度 但翼缘宽度和厚度一般不 变 变截面门式刚架虽然给制造增加了一些 麻烦 但是变截面不仅降低了耗钢量 而且 采用铰接柱脚 可大大减少基础及地基处理 的费用 尤其是在软土地区 综合经济效益 是非常显著的 2 柱网布置及结构形式 2 1 柱网布置 从经济角度出发 柱距一般为4 5m 9m 跨度宜为 9m 36m 根据有关资料 目前国 内最大跨度已做到 60m 跨度较小时 柱距 用 4 5m 较为经济 根据使用需要 中列柱也可拔柱 设置 纵向屋面梁 当需要设置伸缩缝时 可采用 单柱或双柱伸缩缝 2 2 结构形式 除了变截面以外 合理的结构形式可以 充分发挥结构中各构件的承载力 改善结构 的内力分布 从而降低用钢量 对于多跨厂房 当无吊车时 中列柱与 横梁的连接宜采用铰接 如图 1 所示 即 中列柱为上 下铰接的轴心受压构件 一般 采用钢管 从而可减小柱子截面 降低柱 子的用钢量 图 1 钢 铁 技 术 2000 年第 4 期 51 3 支撑布置及形式 3 1 支撑的布置 在满足结构稳定 使用和安装要求的前 提下 支撑布置应遵循简洁 合理 构件的 多功能性 一杆多用 等原则 为了保证结构的空间稳定性 每个温度 区段均应设置独立的支撑体系 支撑的设置 除了考虑传递风荷载外 还要考虑安装的需 要 一般除端部设置支撑外 中间每隔 5 个 6 个开间 30m 40m 需设置一道支撑 屋 盖横向支撑与柱间支撑是相互对应的 轻钢 结构厂房因不考虑空间工作 一般不需设置 屋盖纵向支撑 另外 桁条 天沟等构件可兼作系杆 3 2 支撑的形式 为了降低用钢量 支撑应尽量采用拉杆 体系 边列柱柱间支撑及屋盖支撑一般采用 张紧的十字交叉圆钢支撑 中列柱柱间支撑如果受使用要求限制不 能采用十字交叉支撑时 可以采用钢管人字 形支撑或轻钢桁架式门形支撑 如图 2 所 示 若中列柱拔柱 可利用纵向屋面梁兼 作刚性系杆 4 荷载及作用效应 4 1 荷载取值 当采用压型钢板轻型屋面时 屋面均布 活荷载标准一般取 0 3kN m 2 而在设计屋面 板和桁条时 应考虑施工或检修集中荷载 其标准值取 1 0kN 屋面雪荷载和积灰荷载 标准值按现行荷载规范采用 并应考虑在屋 面天沟 阴角 天窗挡风板内和高低跨相接 等处的荷载增大系数 在 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 以下简称 规程 中 关于风荷载体型 系数引用了美国 MBMA 手册中关于屋面坡度 不大于 10 时的体型系数值 美国 MBMA 手 册规定的风荷载体型系数是以 50 年一遇的 最大风速值为基准 而我国现行荷载规范 GBJ9 87 规定的基本风压是以 30 年一遇的 10 分钟平均最大风速为基准 两种体系之间 的平均换算系数为1 46 并且美国规范规定 有风荷载组合时 结构构件允许应力可提高 30 因此 规程 在采用 MBMA 手册的体 型系数后 按我国现行荷载规范规定的基本 风压值进行计算时 应乘以综合调整系数1 1 即 1 46 1 33 1 1 图2 4 2 内力分析 变截面门式刚架的内力可采用有限元法 直接刚度法 进行计算 计算时构件分为 若干段 每段的几何特征可视为常量 也可 采用楔形单元 变截面门式刚架应按弹性分析方法确定 内力 不考虑塑性发展及由此引起的内力重 新分布 这是因为变截面门式刚架进入塑性 范围后将在多处同时或接近同时出现塑性 铰 进行弹塑性设计将会导致机构的出现使 a 轻钢桁架式门形支撑 b 钢管人字形支撑 52 钢 铁 技 术 2000 年第 4 期 结构失稳 其次 梁柱截面的腹板一般都用 得较薄 高厚比较大 截面设计时要考虑利 用板幅屈曲后的强度 承载潜力所剩不多 在此基础上再考虑弹塑性设计 将会降低结 构的可靠度指标 应力蒙皮效应不仅与屋面板和桁条本身 的刚度有关 而且和屋面板与桁条的连接以 及桁条与屋面梁的连接有很大的关系 如果 考虑应力蒙皮效应 这些连接将按计算确定 而目前压型板的连接构造和安装一般都由压 型板生产厂家负责 其连接构造是否满足要 求以及安装质量是否能保证等一系列问题都 无相关的试验数据 技术规程及验收标准 因此 门式钢架的计算仍按平面框架进行内 力分析 不考虑应力蒙皮效应 4 3 荷载效应组合 积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载 中的较大值同时考虑 屋面均布活荷载与雪 荷载不同时考虑 取两者中较大值 设计钢 架时不考虑施工或检修集中荷载 对于无吊车厂房 因结构自重轻 地震 作用小 地震作用组合不起控制作用 故不 需考虑地震作用效应组合 但对中间有大量 摇摆柱的宽阔刚架 则需进行地震作用效应 组合计算 5 构件设计 5 1 刚度条件的控制 众所周知 结构的耗钢量随刚度条件的 提高而增加 刚度条件控制越严 用钢量越 大 规程 中对柱顶侧移 受压构件的长 细比 腹板的高厚比的限制值比钢结构规范 GBJ17 88 放大很多 比如腹板高厚比从 170 y f 235放大到 250 y f 235 也就是 说采用较薄的腹板 即可获得较高的截面 如 Q235 钢 选用 4mm 的腹板 截面高度可达 1000mm 从而大大地提高了截面的抗弯刚 度 降低了结构的用钢量 5 2 屈曲后强度的利用 利用屈曲后强度主要是指腹板屈曲后强 度的利用 而翼缘板是不利用屈曲后强度的 因此 规程 中对翼缘板外伸宽度与厚度 之 比 仍 然 按 钢 结 构 规 范 要 求 控 制 在 15 y f 235内 当腹板宽厚比较大时 在剪力 正应力 或二者联合作用下 随荷载的增加 腹板将 产生局部屈曲 这时板的压应力虽然不能再 继续增加 但拉应力还可以随荷载的增加而 增加 即由于拉力场 类似于桁架的斜拉腹 杆 如图 3 所示 的存在 腹板的抗剪承载 力为屈曲剪力和屈后产生的拉力场剪力之 和 5 3 强度和稳定 加劲肋设置 由于腹板屈曲后承担弯矩的能力受到了 削弱 因此 在验算梁柱的强度时 应采用 有效净截面 在验算梁柱的稳定性时采用有 效截面 稳定系数仍按毛截面计算 柱子平 面外稳定可考虑设置隅撑来保证 图 3 梁腹板处应在支座处 较大集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋 当利用 a hw 2hw hw 拉力场 钢 铁 技 术 2000 年第 4 期 53 腹板屈后强度时 还应设置中间横向加劲肋 间距 a hw 2hw 该加劲肋类似于桁架的竖腹 杆 如图 3 所示 其轴力为拉力场产生的 压力 erww thVN 9 0 当腹板高厚比超过 170 y f 235时 不 需设置纵向加劲肋 按有效高度计算即可 6 节点设计 6 1 柱脚及梁柱节点 如图 4 所示 图 4 柱脚为铰接 一般采用 2 个锚栓与基础 相连 刚架柱与斜梁的现场连接 斜梁的现场 拼接一般采用端板式 法兰式 连接 连接 螺栓采用高强度螺栓 为获得较大力臂 端 板可外伸 端板连接计算时应按连接处最大内力设 计 当内力较小时 应按能够承受不小于较 小被连接截面承载力的一半设计 6 2 支撑节点 如图 5 所示 图 5 专用楔形垫圈适合于不同的支撑几何尺 寸 安装方便 但制造麻烦 适合于标准化