门式刚架方面分析与运用

2015-04-07鲁承民涂波涛

四川水泥 2015年10期

关键词：门式刚架结构钢量

鲁承民涂波涛

（江苏中建工程设计研究院有限公司，江苏连云港 222006）

门式刚架方面分析与运用

鲁承民涂波涛

（江苏中建工程设计研究院有限公司，江苏连云港 222006）

轻型门式刚架房屋结构在我国建筑行业有着十分广泛的运用，它的性能好，造价低，工程周期短、结构独特的优点备受建筑行业的亲睐，但是需要完善和研究的问题依然很多，如何科学合理地设计能够使门式刚架的经济安全的特点完美体现出来是我们面对的课题。文章结合工程实例就相关问题进行论述。

门式刚架；结构设计；运用

一、门式刚架方面应用实例分析

选煤厂的主厂房多采用结构形式的浇钢筋混凝土的传统框架结构，其体现出了平面布局上的不灵活，工期比较长，投入资金比较大，综合收益低等弊端，根据这一情况，由平顶山选煤设计研究院运用门式框架技术为伯方选煤厂设计了新的选煤主体建筑---主厂房使用外部门式框架，内部块式框架结构，保温的双层压型墙面，具有极好的采光通风作用

1、主体建筑所需要满足的条件：1）屋面及墙面静荷载为每平方米0.3KN；2）屋面活动荷载为每平方米0.3KN；3)基本风压为每平方米0.5KN；4）雪压荷载为每平方米0.25KN；5）吊车荷载，1台中级工作制桥式起重机为20/5t，跨度为16.5m；6）地震荷载。

2、结构内力

根据《门式钢架轻型房屋结构技术规程》CEC102：98变截面门式钢架的作用计算必须对内力计算和侧移进行计算：

1）、内力计算，根据弹性方法确定各种荷载所要满足的条件下的歌中内力。

2) 、侧移计算：按照柱脚钢架侧移计算公式得出水平方向等效的柱顶力作用下和水平吊车荷载等效柱顶力作用下的侧移值。

通过对钢架结构布局的计算得出，当选煤厂的主厂房门式框架高度大于《门式钢架轻型房屋结构技术规程》所规定是适宜高度时，地面有桥式吊车柱顶位移h/150时，那么柱顶最大位移达到180mm，这必然影响到吊车的正常使用，柱顶位移取1/500又与门式框架结构的特点相勃，造成断面过大，没有使用这个结构的必要。选择合适的位移值相当重要的。

3、结构设计

由于选煤厂的主厂房高度的特殊性和水平荷载大的特点，采用等截面的“工”字型柱和变截面“工”字型衡量，在横截面尺寸、内力和侧移计算都要满足结构的需求，屋面檀条和墙架使用膜式卷边“C”型型钢且通过螺栓和焊接链接。对于结构的设计也考虑到保温和通风采光的条件，施工工程中的墙板屋面板与檀条的链接是用明装和暗装结合的方法达到优势互补。

二、门式刚架结构的特点

门式刚架机构不仅具有一般钢架结构中的钢材强度高、整体重量轻、高强度的韧性、极强的可塑造性和运用周期端的特点，还自己本身具有用料省、方便制造、造型美观、空间充分利用、快速安装，对环境污染小和综合性能优异的特点。自从《门式刚架轻型房屋结构技术规程》CEC102：2002的颁布更是促进它的飞跃发展。

三、门式刚架结构的设计

按照结构类型可以分为单跨钢架和双（多）跨连续钢架等，其截面可以分为等截面和变截面，它们的柱脚可以为铰接和刚接；按照钢架梁、主截面可以分为梁柱采用H型的实腹钢架和采用小姐们钢管角钢等复合结构的格构式钢架。前者具有刚性强，但其用材料比较多，不太利于节省成本；后者是制作比较复杂，但其用材料比较少，多用于较大跨多度的复合型钢架。

1、门式刚架结构的链接方式

链接采用铰接还是刚接根据综合条件实地确定。《门式刚架轻型房屋结构技术规程》（CECS 102:2002）地4.1.4条：门式钢架的柱脚形成多按铰接支撑设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5T以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。笔者认为，柱脚采用铰接或者刚接不仅与吊车有关，还与房屋所处的位置有关，如果房屋位置较高，采用柱脚铰接，柱顶移动距离加大，必然要加大柱截面，反而增加钢材的用量，同时还不得不考虑地基等其他因素的影响。如果采用刚接，由于柱脚要承受更大偏心弯力，则需要采用更大的柱脚，在加上房屋地基的差别需要更多钢材。柱脚选用哪种链接方式不仅要考虑房屋的高度，吊车吨位大小还有与房屋地基有关，一切根据实际情况确定采用哪种链接方式。

2、门式刚架结构方案的选择

钢架的间距与跨度、房屋的负荷载和檀条形式相联系。如果钢架的跨度较小而采用较大钢架间距肯定会加大檀条的用钢量，这种做法不划算。经过研究表明：随着柱脚柱距的加大，钢架的用钢量会逐渐缩小，当柱距达到某一数值之后，钢架的用钢量随着柱距加大下降幅度减弱，檀条和其它设施的用钢量增加，从总体上来说，柱距的增大，用钢量先是下降再是上升，也就是说，用钢量的大小存在最佳柱距。门式钢架承重结构组成部分：钢架和基础。大致由钢架、檀条以及钢板间的牢固链接和相互支撑相互依托，其受力方式和传统的钢架结构体系不同，因而其基础形式使用钢筋混凝土的基础，建筑物对侧向位移和变形不同要求，从节约用钢量的角度考虑，可以采用变截面梁柱，基础采用铰接的方案，在设计的时候，根据实际情况，制定最有钢架承重方案。

3、檀条与主门式结构的选择

檀条现今多采用C型或者Z型薄壁型钢材，截面大小与受力相关。由于C型截面在强弱轴的力学性能壁Z型截面差，又与钢架的链接多采用铰接，从力学分析和物理学角度采用Z型截面比较合理，所以除非有优先考虑的条件外，首先采用Z型截面，檀条和房屋的间距不超过1.5米，经过分析，压型钢板、复合板依托内附檀条组成围护结构。

4、支撑系统机构方案

刚性系杆构件由型钢和钢管，通过与钢架螺栓铰接，它的截面受力满足压力的稳定性，可以通过受力计算得出，因此只需要考虑干架转角和屋脊梁链接出，它的间距由它的构件平面稳定性决定。它的水平支撑分为拉杆支撑和压杆支撑，拉力主要平衡较小的水平力以及水平方向的唯一和变形的要求，压杆主要平衡垂直方向力和位移等作用，水平支撑的最佳位置设在中部，必须将屋梁和柱间的水平支撑设置在同一开间，其支撑间距满足规程规定，在需要考虑空间协同作用的加设水平支撑。水平支撑系统截面大小与纵向水平力大小有关，需要通过受力计计算。

5、基础设计

由于门式刚架结构重量轻，基础纵向负荷小，水平荷载成为基础大小的控制因素，由于基础结构具有偏心过大且不均匀性，基础可能发生偏移，影响结构的正常使用。我们可以加大基础的压重、基础深埋、偏心基础和使用桩基等方法，实际设计中需要经过充分地分析来选择那一种方法。

6、抗剪建的设置

在负载较大或者需要防烈程度较高结构体系中，其基地的水平剪力往往较大，这也就需要在柱底加上抗剪键，来减弱柱底板和混凝土之间产生摩擦力的影响，在《门式刚架轻型房屋结构技术规程》（CECS102:2002）第7.2.20条：水平剪力可由柱底板与混凝土间的摩擦力困惑设置抗剪键承受。抗剪键是截面刚度较大的工字钢垂直焊接在柱底板的底面，操作比较复杂，只有在柱底板下的空隙密实的条件下发挥作用，不仅与本身的截面和焊接高度长度有关，还与是否密实有关。抗剪键以平行柱底板最佳且不与基础面接触，保留一定的空间，确保抗剪键发挥作用。