抽柱门式刚架结构设计要点及对厂房经济性影响分析 优选内容

抽柱门式刚架结构设计要点及对厂房经济性影响分析段潇川 王小龙（东风设计研究院有限公司，湖北 武汉430056）摘要：文章以连续多跨多坡门式刚架为算例，对抽柱门式刚架进行分析，提出了抽柱门式刚架的设计方法，结合我国现行规范对抽柱门式刚架的设计要点进行了说明，同时对比门式刚架中间抽柱和非抽柱模型的用钢量。提出结论：抽柱门式刚架结构形式优于传统非抽柱门刚。关键词：抽柱门式刚架；设计要点；用钢量中图分类号：TU318+.2Structure Design Points of the Steel Column-Removed Portal Frame and Analysis of the Economic Impact on Plant BuildingXiaochuan Duan；Xiaolong Wang(Dongfeng Design Institute Co., Ltd., Hubei Wuhan 430056 China)Abstract: Based on the continuous multi-span and multi-slope portal frame as example, analyze the steel column-removed portal frame, combined with China current code to illustrate the design methods and points of steel column-removed portal frame, and compare the steel quantity of column-removed portal frame with none column-removed portal frame model. Put forward the conclusion: the structure form of steel column-removed portal frame is better than traditional none column-removed portal frame.Key words: steel column-removed portal frame; design points; steel quantity引言门式刚架是建筑钢结构中应用最广泛的结构形式之一，随着我国工业化的发展，这类结构以其用钢量省、造价低、施工速度快、外形美观等优点而被广泛的应用。由于生产工艺及使用的要求，需要开阔的操作空间而抽去了部分中柱，因此形成了抽柱门式刚架。本文对抽柱门式刚架的设计方法进行探讨，针对其中几项容易被设计人员忽视的要点进行说明，并模拟工程中常见的多跨多坡厂房，基于门式刚架计算满应力法1，计算特定跨度、柱距情况下，抽柱与不抽柱对主体结构用钢量的影响。1 抽柱门刚结构设计方法房屋沿跨度方向为横向刚架，分为标准榀和抽柱榀；沿柱距方向为纵向刚架，分为边榀和中间榀。在通常情况下，中间榀因为工艺要求而需要抽柱。CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程2第4.3.2条规定：在多跨刚架局部抽掉中间柱或边柱处，可布置托梁或托架。中间榀柱顶与托梁刚接形成纵向刚架，不必设柱间支撑，柱脚两个方向均为铰接；边榀设柱间支撑保证纵向刚度，柱脚平面内刚接，平面外铰接。1.1 抽柱门刚的控制条件抽柱门式刚架设计时要控制构件的强度计算、稳定计算、变形计算、位移计算。主要控制参数限值如下表1：（未注明项均采自CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程2）表1 设计控制参数表类别取值应力比限值1钢梁、钢柱强度应力比1.0，稳定应力比1.0；主钢梁挠度限值L/180受压构件长细比180柱顶位移限值h/60斜梁坡度变化率0.33变截面构件楔率60mm/m托梁挠度（按钢规3）L/4001.2 抽柱门刚的计算 抽柱门刚设计采用二维的平面模型，框架按单榀计算。抽柱门式刚架计算模型分为：标准榀、抽柱榀、纵向刚架，计算步骤见表2。表2 抽柱门刚的计算步骤步骤一计算抽柱榀刚架传递给托梁的荷载步骤二建模计算纵向钢架步骤三分工况提取托梁两端的剪力，施加于标准榀进行建模计算步骤四求出托梁的刚度；（力法）步骤五根据托梁的刚度，设置弹性支座，建模计算抽柱榀横向刚架，计算时需保证抽柱榀和标准榀的位移协调1.3 抽柱门刚的设计要点 托梁刚度。设计托梁时，托梁两端刚接，可有效减小托梁挠度，减少厂房用钢量4。经验算核实，PKPM软件在进行托梁刚度折算时（图1），程序默认托梁两端铰接进行计算，这使得程序所算刚度比实际刚度偏小，不经济。实际工程设计中，托梁刚接时的刚度应按表3中K2 计算，并将计算结果带入 PKPM程序进 图1 托梁刚度折算导入行支座刚度的输入。表3 托梁刚度计算公式托梁刚度集中荷载在跨中时两端铰接（PKPM默认算法）两端刚接式中：K刚度；E钢材弹性模量；I惯性矩；L计算跨度； 连接节点。 门式刚架进行内力分析时宜按平面结构考虑。为了便于内力分析，可将标准榀的中柱设为摇摆柱，即中柱在标准榀平面内与梁和基础均为铰接。由于摇摆柱自身的稳定性依赖刚架的抗侧移刚度，中柱设为摇摆柱后，边柱平面内计算长度增加，稳定性减弱5。标准榀的摇摆柱受到托梁传递竖向荷载，根据现行规范，“在中、边柱轴力相差很大的情况下，计算长度系数会增加过大而与柱截面极不相称。这样会导致验算刚度时不能满足长细比限值的要求。” 设计时，为了避免边柱的计算长度过大，可以采用边柱柱底刚接的方式来减小计算长度。 支撑布置。抽柱后抽柱榀刚架水平荷载会有一部分传递到托梁上，该荷载对托梁来说作用于托梁的弱轴，容易引起托梁的扭转变形，钢结构开口截面的抗扭能力比较弱，构造上可以通过在托梁位置设置屋面纵向水平支撑来提供托梁的平面外刚度。抽柱门式刚架的边榀应设置柱间支撑，以构成各个纵向平面框架，从而保证厂房的纵向几何不变性和刚度，减小柱的平面外计算长度，并承受和传递厂房的各种纵向荷载和温度效应，使之传于基础。下面以某厂房为例4，对抽柱门式刚架进行试算，本文所用计算软件为中国建筑科学研院建筑工程软件研究所2014年8月编写的PKPM2010 V2.2版。 2 工程实例及经济比较2.1 工程实例某24米x4连跨工厂，总长192m，总宽96m，柱距8m，中柱隔一抽一（见图2），檐口高度9m，屋面坡度5%，无吊车荷载，无工艺吊挂荷载，不考虑公用动力专业管道荷载。屋面采用带保温棉双层压型钢板，屋面系统（含檩条及屋面水平支撑等）自重0.25KN/m2，屋面活荷载和雪荷载取值为0.50KN/m2，基本风压0.35 KN/m2，体型系数按GB50009-2012建筑结构荷载规范6中的规定选取，钢材采用Q345B级钢。中柱平面外计算长度取柱全长，边柱平面外计算长度取6m，钢梁平面外计算长度取3m，构件净截面系数取0.92。在考虑钢构件运输条件和满足规范楔率要求的前提下，按满应力设计原则1，在24m跨度范围内，将斜梁分为4段。见图3：图2 厂房结构布置图图3 GJ-1 图4 GJ-2 2.2 用钢量比较计算结果如表4。所得用钢量为主刚架用钢量，此表中不包含支撑、围护结构节点构造及螺栓重量。表4 抽柱与不抽柱模型用钢量、刚架变形结果钢梁最大挠度（mm）斜梁坡度变化率柱顶位移（mm）单榀钢柱重量（kg）单榀钢梁重量（kg）厂房钢柱总重（kg）厂房钢梁总重（kg）每平米用钢量（kg/m2）抽柱模型标准榀133.30.328.8369858336558221926815.45抽柱榀132.80.328.814596877纵向钢梁40.020305不抽柱模型4133.00.3027.9352850398820012597511.622.3 结果分析根据笔者多年设计及实践经验来看，抽柱门刚相比传统门刚有以下特点：1、厂房内部的操作空间更大，使工艺布置或物流输送更方便。2、减少柱下基础的数量。3、 由表2数据得：上部主体结构抽柱门刚的总用钢量较不抽柱增加约30%。4、设置纵向刚架可避免厂房内部设置交叉柱间支撑。5、由于改变了支座的约束条件，刚架的抗侧移刚度增加。3 结论本文以常见跨度厂房为算例，简述抽柱门刚的设计方法，提出设计要点，并与不抽柱厂房的用钢量进行对比，得出结论：抽柱门式刚架的上部主体结构用钢量较不抽柱门刚增加30%左右，但减少了30%的基础工程量，同时减少50%以上的柱间支撑用钢量，其围护结构用钢量不变。考虑到目前市场上钢材价格下降，人工成本上升，抽柱门刚比不抽柱门刚综合单价略低，尤其是在沿海等软弱地质区域，抽柱门刚的成本节省意义更大。同时，抽柱门刚在纵横两个方向均可以提供很大的空间，因此工艺适用性更强。参考文献：1 韩方俊. 轻型钢结构设计轻型化的主要途径J. 建筑施工. 1999.21(5):35-372 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS 102:2002 北京:中国计划出版社出版.3 钢结构设计规范 GB 50017-2003 北京: 中国计划出版社出版.4 段潇川；秦希青；王利. 多跨多坡门式刚架中柱连接形式对厂房经济性的影响分析