摘要：本文作者就通過自己的研究和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)鋼架廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，供同行參考。
關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；廠房；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
近年來(lái)，我國(guó)的建筑工程建設(shè)事業(yè)也在快速的發(fā)展著，同時(shí)由于近些年我國(guó)彩色剛的產(chǎn)量的增加，輕型鋼逐漸在建筑工程中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，已經(jīng)成為現(xiàn)代大跨度廠房的首選了。輕型鋼門式鋼架結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是普遍存在的，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是其他一些建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所無(wú)法比擬的。但是這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在某些地區(qū)目前還不是很成熟，在建筑工程中的應(yīng)用不是很好。因此，為了更大范圍的發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，確保這種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，我們就需要對(duì)該種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，克服在輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，掌握其設(shè)計(jì)技術(shù)，使輕型鋼門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到更大的發(fā)展。
1 輕鋼結(jié)構(gòu)典型優(yōu)勢(shì)
輕鋼結(jié)構(gòu)屬輕型鋼結(jié)構(gòu)的一種類型，其結(jié)構(gòu)體系，簡(jiǎn)言之，是由剛架為承重結(jié)構(gòu)，配套輕型屋蓋和墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的支撐系統(tǒng)所組成的結(jié)構(gòu)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。
1.1 自重輕
輕鋼框架結(jié)構(gòu)重量比很高，墻厚較薄，因此可以使房屋的跨度達(dá)到很大，鋼材可根據(jù)不同用途合理分配截面尺寸的高寬比，使用面積較其他結(jié)構(gòu)要提高很多。這種截面模數(shù)大，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和優(yōu)越的使用性能，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。輕鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，自重約為后者的一半。在工程設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際情況達(dá)到個(gè)性化的要求。
1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，抗震性能突出
輕鋼框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，鋼梁、鋼柱組成柔性框架，可充分發(fā)揮鋼材強(qiáng)度高、延性好、塑性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲、震動(dòng)的能力得以強(qiáng)化。一般而言，其抗震能力是磚混結(jié)構(gòu)的2倍以上，在高烈度的地震災(zāi)害后，用于修復(fù)的費(fèi)用減少。而且適合建造在各種地質(zhì)條件的地基上，提高了結(jié)構(gòu)的安全可靠性。
1.3 施工速度快
一般情況下，輕鋼框架結(jié)構(gòu)建筑的施工由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化，構(gòu)件加工制作工業(yè)化，另外加上現(xiàn)場(chǎng)安裝施工的過程中不受氣候影響，簡(jiǎn)單快捷，時(shí)間相對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)住宅縮短工時(shí)1/3～1/2，加快了資金周轉(zhuǎn)，大大提高了投資回報(bào)速度。
2 輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 剛架最優(yōu)柱距的確定
剛架的柱距與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關(guān)。隨著剛架柱距的增大，剛架用鋼量是逐步下降的，但當(dāng)柱距增大到一定的數(shù)值后，剛架的用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大而增加，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降后上升。大量計(jì)算數(shù)據(jù)表明：一般情況下，門式剛架的最優(yōu)柱距為6―9 m，柱距不宜超過9m，超過9m屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加太多，綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。因此，從綜合分析的角度看，確定合理的柱距才能既節(jié)省鋼材，又使設(shè)計(jì)真正做到定型化、專門化、標(biāo)準(zhǔn)化以及輕型化，從而推動(dòng)門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)的發(fā)展。
2.2 合理跨度的確定
在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)具體房屋的高度來(lái)確定合理的跨度，總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)荷載和柱高一定時(shí)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中就應(yīng)適當(dāng)加大房屋的跨度，這樣一來(lái)，剛架的用鋼量整體增加不明顯，但卻很大程度上節(jié)省了空間。通過大量計(jì)算得出：當(dāng)檐口高度為7 m、柱距8.5 m，荷載情況完全一致的情況下，跨度在18―48 m之間的剛架單位用鋼量為18～35 kg/m2，當(dāng)檐口高度為12 m時(shí)（其他情況相同），跨度在18―48 m之間的剛架單位用鋼量（Q235一B）為25―40 kg/m2，因此，在工藝要求允許的情況下，設(shè)計(jì)人員選擇方案時(shí)應(yīng)選擇較為經(jīng)濟(jì)合理的跨度，不宜盲目追求大跨度。
2.3 截面優(yōu)化設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)截面優(yōu)化的方法主要有兩種：
2.3.1 窮舉法。首先仔細(xì)計(jì)算和比較各種合理的構(gòu)件截面形式，并在滿足具體設(shè)計(jì)要求的情況下，以用鋼量最少或造價(jià)最低作為控制條件，得到滿意的截面尺寸。門式剛架常采用變化構(gòu)件的截面來(lái)適應(yīng)彎矩的變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹板的高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化，上、下翼緣可以用不同截面，相鄰單元的翼緣也可采用不同的截面形式。因此，影響整個(gè)剛架用鋼量的因素有上、下翼緣寬度、厚度，腹板的厚度，構(gòu)件大頭、小頭的高度，而且這些因素之間也互相影響，互相不獨(dú)立。工程設(shè)計(jì)從形式上來(lái)說(shuō)，是一種非常嚴(yán)格的力學(xué)和數(shù)學(xué)方法的精確運(yùn)算過程。
2.3.2 用最優(yōu)化理論。首先可以把問題歸納為一個(gè)單目標(biāo)的問題，用鋼量最少或造價(jià)最低最為優(yōu)化的具體目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)力、位移等可以作為約束條件，最后用我們的數(shù)學(xué)方法得到最滿意的解。
事實(shí)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起重要作用的并不是那些運(yùn)算方法和數(shù)學(xué)處理，而是一系列難以用精確的計(jì)算解決的、具有主觀色彩的決策問題。所以，完全用最優(yōu)化理論來(lái)解決截面優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的復(fù)雜性。當(dāng)設(shè)計(jì)人員決定了結(jié)構(gòu)形式后，截面優(yōu)化比較簡(jiǎn)單易行的方法是按照構(gòu)件的內(nèi)力來(lái)調(diào)整截面尺寸，經(jīng)過試算來(lái)確定重量最小的截面。這種方法不但計(jì)算次數(shù)少，而且可以人工干預(yù)截面優(yōu)化范圍，快速的得到比較理想的截面尺寸。
2.4 柱腳設(shè)計(jì)
輕鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式有兩種：即鉸接柱腳和剛接柱腳。對(duì)于鉸接柱腳，基礎(chǔ)僅受軸心荷載作用，設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。但部分輕鋼節(jié)結(jié)構(gòu)廠房都有吊車，依據(jù)《輕鋼結(jié)構(gòu)剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：用于工業(yè)廠房且有5 t以上的橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接；《技術(shù)措施結(jié)構(gòu)2003）規(guī)定：當(dāng)設(shè)有橋式和梁式吊車時(shí)，輕鋼結(jié)構(gòu)剛架柱宜采用等截面構(gòu)件，柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛接。因此5 t以上的橋式和梁式吊車的門剛結(jié)構(gòu)柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛接；3 t及以下懸掛式吊車和無(wú)吊車的門剛結(jié)構(gòu)，柱腳才可以設(shè)計(jì)成鉸接。有較大吊車的房屋，柱頂位移較大，柱腳采用剛接，使得每榀剛架形成超靜定結(jié)構(gòu)，不但能減小柱頂位移而且具有更大的安全儲(chǔ)備。對(duì)于高寬比和風(fēng)荷載較大的無(wú)吊車門剛結(jié)構(gòu)，柱腳也宜設(shè)計(jì)成剛接。
同時(shí)當(dāng)柱底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力時(shí)柱腳還應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，抗剪鍵的設(shè)置需要計(jì)算。在基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)留置鍵槽，鍵槽每側(cè)寬出抗剪鍵不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱腳底板和基礎(chǔ)頂面之間留有一定空間，柱腳鉸接時(shí)不宜大于50 mm，柱腳剛接時(shí)不宜大于100 mm。
3 結(jié)束語(yǔ)
輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有十分重要的作用，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展也是具有重大意義的，因此我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討。由于我國(guó)在建筑行業(yè)，特別是在輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑方面的發(fā)展還不是很好，在施工設(shè)計(jì)中還存在著很多的問題，因此，應(yīng)該在輕鋼廠房的設(shè)計(jì)方面多做研究。并且由于我國(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的需求量不斷增加，做好輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)就會(huì)更加的重要。
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