轻型门式刚架厂房设计相关问题的研究与优化

2020-06-06贺培源

黑龙江科学 2020年10期

关键词：柱脚檩条架梁

但敏，贺培源

(1.内蒙古建筑职业技术学院，呼和浩特 010050； 2.内蒙古工业大学，呼和浩特 010050)

1 轻型门式刚架厂房特点

轻型门式刚架是种轻钢结构，主要由刚架梁、刚架柱、檩条、围护板等构件组成。除刚架梁与刚架柱采用热轧型钢外，其他材料主要是冷弯薄壁型钢与压型钢板[1]。

1.1 轻钢优势

轻钢结构承载力强，塑性、韧性好，适宜建造荷载大、跨度大、高耸的建筑结构。设计阶段结构布置灵活，厂房施工空间利用率高。

1.2 施工简便

门式刚架施工组织简明，制作安装简便，施工质量可控可靠。加上相对其他结构形式所需钢材少，施工成本也更低。在结构重要节点等部位设置支撑体系，可优化结构形式，缩短工期。

1.3 经济效益好

构件及节点的工厂化、机械化、标准化生产降低了生产成本，缩短了工期。此外，钢结构拆装移动使得钢材重复利用，更环保，同时其所创造的经济效益也非常好。

2 案例分析

以某轻型门式刚架厂房为例，对设计中存在的几个问题进行了研究。该厂房主体为钢结构，设计使用年限50年。呼和浩特市抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防类别为丙类，结构安全等级二级，场地粗糙度B类，采用柱下独立基础。

2.1 基础设计

A.荷载计算：建立门式刚架结构模型并布置荷载。刚架柱所受荷载除计算结构所受荷载外，还要考虑偏心荷载的偏心距[1]。厂房里较多机械设备、货物，进场会产生堆积荷载，需增大基础偏心距，工程设计需对此进行验算。门式刚架重量轻，水平荷载影响较大，因此在设计中应重视由风荷载引起的水平力。

B．加大基础埋深：一般基础埋置深度越浅造价越低。但为加大柱脚抗剪能力，降低抗剪键的位移及1/3埋深处的弯矩，必要时可增大基础埋深。

C.改变基础形式：基础形式不同，内力差异很大，设计时需依据工程实际对厂房基础形式进行调整。无铰刚架为三次超静定结构，内力分布较均匀，刚度好，但柱底弯矩较大，对基础与地基的要求较高，在地基条件较差时需慎用。两铰刚架为一次超静定结构，在竖向或水平荷载作用下，刚架内弯矩比无铰刚架大，但其构造简单，省工省料且基础有转角时，对结构内力无影响。三铰刚架为静定结构，温度变化、地基变形或基础不均匀沉降对结构内力无影响，但三铰刚架梁柱节点弯矩较大，刚度小，不适于重型桥式吊车厂房，仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的厂房。

2.2 屋面构件的布置

部分工程人员因对建筑力学知识不熟，屋面构件布置时，仅设置直拉条而未设置或部分设置斜拉条及撑杆，这是不合理的。拉条可防止檩条侧向变形及扭转，并为其提供侧向支承。因此在屋脊处、檐口处及天窗两侧应设置刚性撑杆和斜拉条，拉条数量要足够。檩条跨度>4 m时，应在檩条跨度二分点处设置拉条；当檩条跨度>6 m时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。

当刚架梁下翼缘受压时，须在受压翼缘两侧布置隅撑(山墙处刚架仅布置在一侧)作为刚架梁的侧向支承，隅撑另一端连接在檩条上。该厂房底部1.2 m采用砌体墙面，在刚架柱外皮砌筑构造柱，在窗顶布置圈梁，圈梁与构造柱整浇。由于圈梁和砌体墙对刚架柱作用在柱的外侧翼缘，而实际刚架柱是内侧翼缘受压且材料属性差异大，受荷可能会引发墙体开裂及刚架柱失稳。对此，设计人员应通过增设纵向通长系杆的数量加强钢架柱的整体稳定性，且此系杆作为厂房纵向承重体系的重要部分，与其他支撑体系互不影响[2]。

2.3 柱间支撑的布置

柱间支撑和屋面支撑应布置在同一开间内，形成抵抗纵向水平荷载的空间桁架。支撑间距一般为30～45 m，不应超过60 m。支撑杆为45°传递水平荷载最有效，当刚架柱较高，布置单层柱间支撑角度无法满足要求时，可布置上下双层柱间支撑。支撑可布置在温度区段的第一或第二开间，当布置在第二开间时，第一开间应设置刚性系杆，刚架柱顶、屋脊等重要节点处应设置通长刚性系杆。

2.4 柱脚设计

本工程采用刚性柱脚，针对部分柱脚底板孔隙，刚架吊装完毕后，须用细石混凝土灌浆密实见图1，确保柱脚可靠传递弯矩。为此，在设计环节就要对柱脚底板开孔溢浆，并在图纸上进行补充说明，为工程二次浇筑做好准备。本工程基础埋置于季节性涨水河槽附近，柱脚易产生锈蚀问题，依据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)有关规定[3]及地质水文资料，使用低强度混凝土对地面以下钢柱脚进行了防护，混凝土保护层取100 mm且高出地面250 mm。

图1 刚架柱柱脚

图2 抗风柱与刚架梁连接节点

2.5 抗风柱设置

工程上有两种简易的门式刚架抗风柱做法：A.将山墙抗风柱与刚架梁连接，抗风柱作为承重构件相应地承担横向和纵向水平荷载。但通常又不作刚架纵向受力分析，作为边榀抗风柱，荷载首当其冲，如果没有可靠的纵向传力构件，这样会使抗风柱成为危险构件，此种做法不妥。B.抗风柱与刚架柱同在山墙位置，抗风柱铰接于钢架梁，不考虑抗风柱竖向荷载作用。这种做法最大弊端是难以有效传递风荷载。本工程采用边榀刚架与抗风柱错开600 mm，抗风柱与刚架梁通过焊接连接板采用长圆形螺栓孔相连，连接螺栓采用普通螺栓，做法见图2，可避免构造缺陷。