摘要:本文是作者根據(jù)多年來(lái)工作的經(jīng)驗(yàn)對(duì)門式剛架鋼結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計(jì),總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題,并從結(jié)構(gòu)布置、拉條設(shè)置、拉條節(jié)點(diǎn)、支撐設(shè)置等幾方面進(jìn)行分析和討論。
關(guān)鍵詞:輕鋼結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),門式剛架,
中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
1輕鋼結(jié)構(gòu)建筑系統(tǒng)
輕鋼建筑系統(tǒng)包括主次結(jié)構(gòu)、屋面墻面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)采光、開洞甚至管線懸掛等。所有構(gòu)件都經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)在工廠加工好,然后運(yùn)到工地現(xiàn)場(chǎng)安裝,這樣可大大加快施工進(jìn)度和施工精度。
1.1主結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)
單層門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在柱腳變形要求不高的情況下可采用鉸接,經(jīng)濟(jì)的跨度是21 m~36 m。多跨剛架的中柱多采用上下端均為鉸接的搖擺柱,主剛架受力狀態(tài)與連梁相似,稱為連梁式門式剛架。剛架在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮剛架彎矩包絡(luò)圖來(lái)變截面和選擇拼接節(jié)點(diǎn),剛架梁在反彎點(diǎn)附近拼接。
1.2次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
次結(jié)構(gòu)指屋面檁條及墻梁,分為兩大類,由C形或Z形冷彎薄壁型鋼再加上隅撐構(gòu)成。C形次結(jié)構(gòu),一般支座簡(jiǎn)支,而Z形次結(jié)構(gòu)支座連續(xù),連續(xù)支座在同等截面條件下承載力要大得多,剛度也大得多,因此是一個(gè)較好的做法。規(guī)范規(guī)定跨度大于6 m的檁條要設(shè)拉條,有的公司采用薄壁角鋼作拉條,這種拉條不但能起到很好的抗傾覆作用,對(duì)保溫棉也起到一定的支撐作用,外觀整齊,檁條定位準(zhǔn)確,便于屋面板安裝。
1.3屋面系統(tǒng)
輕鋼結(jié)構(gòu)的屋面做法有兩類:1)采用彩色復(fù)合壓型鋼板作為屋面的保溫防水層。2)采用厚0.6 mm壓型鋼板防水并承受屋面荷載,鋼板下鋪設(shè)玻璃纖維保溫。由于造價(jià)較低、構(gòu)造簡(jiǎn)單,后一類是主流產(chǎn)品。按構(gòu)造做法,屋面分為螺釘外露式、暗扣式和鎖縫式。
1.4墻面系統(tǒng)
墻面系統(tǒng)也分兩類:1)壓型鋼板,玻璃纖維棉保溫,多數(shù)情況下,再鋪一層內(nèi)板,保護(hù)保溫棉并起到美觀作用,板多為豎放。2)復(fù)合板,板多為橫放,其構(gòu)造復(fù)雜,造價(jià)較高,適合要求較高的廠房、商場(chǎng)及辦公用房。復(fù)合板構(gòu)造的核心問(wèn)題是如何解決好連接處的防水以及板的防火、保溫問(wèn)題。多數(shù)橫板在豎向連接處防水處理得較好,而橫向連接處不易處理,只有加防水壓條,使外墻面每隔6 m－9 m就有一道豎向鋼板條而影響美觀。
2輕鋼建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1建筑設(shè)計(jì)
建筑平面設(shè)計(jì)中如柱網(wǎng)的確定、交通通道布置一定要與廠家配合,廠家的工藝布置要求柱網(wǎng)與他們的產(chǎn)品相配合。輕鋼結(jié)構(gòu)支撐是極其重要構(gòu)件,常常設(shè)計(jì)成X形,布置通道、門、窗時(shí)要考慮這些支撐是否有影響。建筑立面設(shè)計(jì)要考慮輕鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),墻面是靠墻梁來(lái)傳力,盡量避免設(shè)計(jì)大曲率弧形而破壞傳力途徑,而且以目前國(guó)內(nèi)的加工和安裝水平,弧形很難達(dá)到讓人滿意的效果,造價(jià)也高。
2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
支撐體系。
支撐體系的主要作用是:將各個(gè)平面剛架聯(lián)結(jié)組成具有空間剛度和穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu);為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外整體穩(wěn)定提供側(cè)
向支撐點(diǎn);明確、合理、簡(jiǎn)捷地傳遞風(fēng)力、溫度應(yīng)力、地震力以及吊車縱向水平力等縱向荷載。屋面支撐的布置應(yīng)與山墻抗風(fēng)柱的位置相協(xié)調(diào),使抗風(fēng)柱的柱頂反力直接傳到屋面橫向支撐的節(jié)點(diǎn)上。屋面橫向水平支撐的直腹桿(包括屋脊處和柱頂處)應(yīng)按剛性系桿考慮,采用檁條兼做時(shí),應(yīng)對(duì)檁條的剛度和承載力進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)檁條無(wú)法起到剛性直腹桿的作用時(shí),通常應(yīng)在屋脊處、柱頂處以及屋面設(shè)置橫向水平支撐直腹桿,在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H形鋼或其他截面形式的剛性桿件,以保證房屋縱向結(jié)構(gòu)安全可靠地工作。
帶吊車的工程由于廠房較高、剛架構(gòu)件截面剛度較大,次構(gòu)件剛度不足以約束主構(gòu)件,對(duì)于所有的柱間支撐均采用了較強(qiáng)的角鋼支撐。
縱橫向溫度伸縮縫的處理。
對(duì)于縱向溫度伸縮縫通常可采用設(shè)置雙列柱的方法處理,也可采用一種單柱的處理方法。首先在廠房中部選取一榀適當(dāng)?shù)膭偧?通過(guò)這榀剛架將廠房分為兩部分,然后將任一部分上的所有縱向構(gòu)件與該榀剛架的連接節(jié)點(diǎn)都做成可滑動(dòng)的節(jié)點(diǎn),同時(shí)將剛架上的屋面板、墻面板也處理成可以伸縮的構(gòu)造,整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)在工作時(shí)可通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的滑動(dòng)伸縮來(lái)釋放溫度應(yīng)力。與該榀剛架相連的縱向構(gòu)件主要有檁條、墻梁、吊車梁等構(gòu)件,這些構(gòu)件與剛架的連接節(jié)點(diǎn)采用開長(zhǎng)圓孔的做法。由于屋面、墻面圍護(hù)板均為彩色壓型鋼板,其自身的變形能力強(qiáng),吊車梁系統(tǒng)已考慮縱向伸縮,采用在構(gòu)件上開長(zhǎng)圓孔的做法可以滿足節(jié)點(diǎn)有足夠的滑動(dòng)能力。
對(duì)于橫向超長(zhǎng)剛架的溫度伸縮問(wèn)題可以考慮以下3種處理方案:
在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置雙柱,將一榀剛架分為兩榀剛架,使每榀剛架的長(zhǎng)度小于規(guī)程要求的橫向溫度區(qū)段的長(zhǎng)度;
b.在柱頂或梁中適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)滑動(dòng)支座,用以消除溫度應(yīng)力;
c.對(duì)剛架不做處理,在剛架計(jì)算時(shí)進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算,考慮溫度應(yīng)力對(duì)剛架的影響。
對(duì)以上3種方案的計(jì)算分析比較可知:第一種設(shè)置雙柱的方法由于雙柱的設(shè)置大大削弱了剛架的剛度,使得剛架側(cè)移加大,剛架梁柱截面加大,使用鋼量增加,基礎(chǔ)費(fèi)用也相應(yīng)增加。對(duì)于第二種設(shè)置滑動(dòng)支座的處理方案考慮了以下兩種情況,一種是將支座設(shè)置在柱頂,另一種是將支座設(shè)置在梁中反彎點(diǎn)處,這兩種情況就側(cè)移和用鋼量而言比第一種處理方案要好,但是也存在以下不利因素:梁截面變化較大,滑動(dòng)支座難以實(shí)現(xiàn),需增加大量的屋面支撐。在保證安全可靠的前提下,綜合考慮到工期、造價(jià)等因素,相對(duì)來(lái)說(shuō)還是第三種方案較好,即通過(guò)對(duì)剛架進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算來(lái)考慮溫度作用。
隅撐的設(shè)置。
隅撐是用來(lái)保證斜梁下翼緣或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施。隅撐按以下原則來(lái)布置:在每跨靠近梁端的負(fù)彎矩范圍內(nèi)連續(xù)兩根檁條下設(shè)置隅撐,其他地方每間隔一根檁條設(shè)置隅撐。隅撐成對(duì)布置,與梁和檁條均采用單個(gè)螺栓連接。梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度可取隅撐間距。帶吊車廠房為確保吊車梁對(duì)柱子的支撐效果,在邊柱的吊車梁上翼緣設(shè)置了隅撐。由此來(lái)形成對(duì)柱子的側(cè)向支撐,同時(shí)大大減小了邊柱在縱向剎車力作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。當(dāng)山墻抗風(fēng)柱與剛架斜梁下翼緣連接時(shí),連接處的斜梁下翼緣亦設(shè)置隅撐。
拉條的設(shè)置。
對(duì)于有檁體系的壓型鋼板輕型屋面,為了減少檁條在使用階段和施工過(guò)程中的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn),通常在檁條間設(shè)置拉條(包括斜拉條和撐桿,以下同)作為檁條的側(cè)向支點(diǎn),以保證檁條的側(cè)向穩(wěn)定。當(dāng)檁條跨度大于4 m時(shí),應(yīng)在檁條跨中設(shè)置一道拉條;當(dāng)檁條跨度大于6 m時(shí),應(yīng)在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條。拉條按拉桿設(shè)計(jì),當(dāng)采用圓鋼時(shí)直徑不宜小于10 mm。撐桿按壓桿設(shè)計(jì),多采用鋼管或角鋼制作。圓鋼拉條通常設(shè)置在距檁條上翼緣1/3腹板高度范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)吸力作用下檁條下翼緣受壓時(shí),屋面板宜采用自攻螺釘直接與檁條連接,拉條則宜設(shè)在檁條下翼緣附近;當(dāng)屋面采用扣合式或咬合式鋼板時(shí),宜分別在距檁條上下翼緣1/3腹板高度范圍內(nèi)同時(shí)設(shè)置拉條。
梁柱截面及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。
輕鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性在于它的變截面,變截面設(shè)計(jì)也取決于工廠的加工能力。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要充分利用變截面特點(diǎn)合理設(shè)計(jì)截面,影響H形截面抗彎能力的因素有截面高度、翼緣寬度和翼緣厚度。增加截面高度是提高截面抗彎能力最有效的方法,由于輕鋼結(jié)構(gòu)腹板都很薄,用鋼量增加不多,但抗彎能力增加很多。經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)不但要變截面高度,更重要的是要變翼緣的寬度、厚度及腹板的厚度。
3門式鋼架柱網(wǎng)尺寸的選擇及結(jié)構(gòu)體系的布置
3. 1門式鋼架柱的間距
門式鋼架間距通常為6－9 m，不論是否具有吊車，門式鋼架的柱距，建議采用8 m－9 m。因?yàn)楣こ讨袠?gòu)件數(shù)量的多少，將直接影響加工、安裝的工程量、施工進(jìn)度及造價(jià)。一個(gè)工程采用9 m柱距時(shí)的鋼架，擦條、吊車梁等構(gòu)件的數(shù)量要比采用6 m柱距時(shí)約減少30％。雖然其截面有所增大，但對(duì)縮短施工周期，降低工程造價(jià)的有利影響十分明顯。門式鋼架的較經(jīng)濟(jì)跨度，建議在21 m－24 m范圍內(nèi)采用，其合理的最大跨度不宜>36 m。
3. 2結(jié)構(gòu)體系
門式鋼架通常考慮為平面結(jié)構(gòu)，作為橫向受力主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)，如擦條，墻梁和支撐等組成整個(gè)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系。擦條和墻梁既是承受豎向和水平荷載的構(gòu)件，也是剛架和鋼架之間的連系構(gòu)件。廠房縱向水平力由支撐體系承受，在每個(gè)溫度區(qū)段端部柱間或第二柱間應(yīng)設(shè)置屋蓋橫向支撐，其余位置每隔40 m左右設(shè)置一道橫向支撐，以使整個(gè)房屋形成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
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