对门式刚架轻房屋钢结构设计的思考

对门式刚架轻房屋钢结构设计的思考

我国《钢结构设计规范（gb50017-2003）中关于单层车间钢结构设计的规定：车间的平均温度为220m，横向为120m（柱端刚清）或150m（柱端盘）。在加热期间，与非供暖地区的房屋垂直180米，纵向100m（柱端刚清）或125m（柱端盘）。户外结构为120米，横向无限制。在不超过上述规定值时可以不计算温度应力。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)》第4.3.1条规定,门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度(伸缩缝间的距离)应符合下列规定:纵向温度区段不大于300m,横向温度区段不大于150m。在满足上述条件时,也可以不计算温度应力。设置温度伸缩缝的目的是为了减小结构的温度应力,控制由温度应力引起的结构变形及位移,满足结构的安全性及使用要求。目前,门式刚架轻型钢结构房屋中横向宽度大于150m的较少,而纵向大于300m的较多。下面列举工程实例来论述门式刚架轻型钢结构房屋纵向温度伸缩缝的处理。1板横向温度动力系统的分析在门式刚架轻型房屋钢结构体系中,屋盖及墙面一般采用压型钢板、岩棉夹芯板、聚氨酯夹芯板以及单层压型钢板内衬钢丝网玻璃纤维棉。板的长度方向一般垂直房屋的纵向布置,屋面压型板的铺设其板肋的方向是顺坡的,板肋可以吸收屋面板横向膨胀与收缩的影响,同时由于一般压型板的板宽<1m,温度变化引起的横向膨胀与收缩也很小(<0.12mm),因此,板横向(房屋的纵向)的影响一般是可以忽略的。对于主次结构设有温度伸缩的地方,则必须设置面板温度伸缩缝,伸缩缝处的节点处理如图1、图2。墙面采用与图1、图2相似的做法。对于板的纵向温度变化的影响是不可忽略的,当温差为40℃,长12m的板由温差引起的屋面板长度的变化就有6mm左右,板越长则变形越大。目前,国际上解决屋面板受温度变化的影响,主要从连接构件的可变动性着手,主要有以下三种情况:1)附檩可动式搭接方式:这种方式是在檩条之上按垂直方向增设一条小附檩。如图3,附檩由上下两部分组成,用螺栓进行连接,其中有一侧为长螺栓孔,使上下两部分附檩条可以相互滑动。这样,当屋面板膨胀或收缩时,附檩条的上半部就可以随屋面自由滑动。2)屋面板长螺栓孔连接方式:这种方式用手搭接,上下屋面板的螺栓孔应预先留出,使下坡板的螺栓孔为长螺栓孔,这样上下层板在温度变化时,可以自由伸缩。3)连接支架采用可动式咬边连接方式:这种连接方式是把连接支架分解成两部分,彼此之间可以相对滑动,如巴特勒的MR24屋面板。与附檩条可动式的原理相同,在屋面板伸长或缩短时,屋面可以整体移动。2主要结构根据规范确定主结构的温度区段的尺寸,并在分区处设置温度伸缩缝。纵向温度伸缩缝可采用下述三种形式。2.1水平支撑设计的条件在温度伸缩缝处设双柱是一种比较传统的做法,但用钢量较大。设双柱时,柱网轴线在两个柱子的中间,如图4,插入距一般为0.4～1m,柱脚铰接时取小值,柱脚刚接时取大值(考虑靴梁的尺寸要求)。房屋通过设置温度伸缩缝可视为两个结构单体(建筑形式上仍是一个整体),减少了温度应力及其引起的变形及位移。我们在杭州朝阳橡胶有限公司子午胎车间工程中采用了设置双柱的方法。该车间长544m,宽120m,5跨,单体建筑面积65635m2。檐口高8m,屋面采用单脊双板外排水,排水坡度5%。柱网尺寸8m×24m,屋面板采用巴特勒MR24屋面板,在屋面板伸长或缩短时,屋面可以整体移动,从而解决了温度变化对屋面板的影响。该工程横向120m未设置温度伸缩缝,考虑温度应力控制柱顶侧移来进行截面设计,在纵向35轴处设一双柱温度伸缩缝,插入距为450mm;温度伸缩缝处的局部平面布置如图5。根据规程规定:在单个温度区段中应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系,端部支撑宜设在温度区段的第二个开间;当端部支撑设在第二开间时,在第一开间相应位置处设置刚性系杆。本工程在33轴与34轴,36轴与37轴设置屋盖水平支撑。在34轴与35轴,35轴与36轴间的柱顶,屋脊及抗风柱纵向对应的位置(水平支撑的节点)设置了纵向刚性系杆。在两个区段的其他位置也根据规范要求设置水平支撑及纵向刚性系杆,构成空间稳定的结构支撑体系。伸缩缝处结点的处理如图1,墙面处理与屋面相似,该工程于1998年竣工,使用效果较好。2.2屋顶钢结构设计设单柱,搭接檩条与墙梁均采用开长螺栓孔的方法,这对于单层无吊车厂房较经济。现以中国吉利集团临海机车工业公司13号车间为例说明这种处理方法。该车间长322.5m,宽35m,2跨,柱网尺寸7.5m×17.5m,檐口高度7.5m,单脊双坡外排水,排水坡度8%,屋面板及墙面板采用普通压型钢板衬玻璃纤维棉钢丝网铝箔保温层,单体建筑面积11460m2,屋面通过附檩条可动式搭接解决屋面板的热胀冷缩问题。在温度伸缩缝处的局部平面布置如图6。该工程温度伸缩缝设置在21轴与22轴间,在21轴与22轴间的檩条,墙梁采用两边开长螺栓孔的方法处理,如图2。由于工艺条件的限制,该工程在温度伸缩缝处的屋盖水平支撑柱间支撑设置在20轴与21轴,22轴与23轴之间,通过两头开长螺栓孔的檩条与墙梁把单体建筑从结构上分为两个温度区段,满足了结构的变形及位移的要求,该工程于1999年建成使用至今,效果也比较好。2.3下大跨柱网温度伸缩缝设计采用设单柱、柱顶设滚动支座,按搭接檩条采用长螺栓来处理温度伸缩缝的方法,一般由于生产工艺上的要求,需要采用大开间的柱网,需要设置托梁来减小梁间距。我院于1997年完成的安徵汽车零部件工业公司一号厂房工程采用此方法。该工程长315m,宽240m,柱网尺寸15m×15m,檐口标高9.0m,屋面及墙面板采用双层保温彩色压型钢板,单脊双坡外排水,排水坡度3%,单体建筑面积7.6万m2。该工程横向240m,16跨没有设置温度伸缩缝,设计时考虑到温度应力,采用了控制柱顶侧移的方式进行截面设计,纵向连续21跨,315m,在12轴处将托架梁在柱顶断开,一端托架梁上设滚轴,檩条、墙梁等构件的连接采用长螺栓孔连接来释放温度应力,伸缩缝处的局部平面布置如图7,伸缩缝处的节点如图8、图2。对屋面板的热胀冷缩问题,采用如图9所示的连接方法解决。在11轴右,13