[单层门式刚架轻型钢结构设计浅谈] 轻型单层工业厂房钢结构设计

　　[提要]门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。介绍门式刚架轻型结构体系存在的问题;论述屋面荷载、山墙结构体系、柱脚设计的设计特点。 　　[关键词]门式刚架荷载山墙柱脚
　　中图分类号:TU2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110119-01
　　
　　一、前言
　　
　　门式刚架轻型结构体系是用等截面或变截面的H型钢作为梁柱,以冷弯薄壁型钢作为檩条、墙梁,以彩钢板作为屋面板及墙板,现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构,再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系。这种体系可以在工厂批量生产,现场按要求拼装而成。能有效地利用材料,构件尺寸小,自重轻,抗震性能好,安装方便,施工周期短,能够形成大空间、大跨度,具有外表美观,适应性强,造价低,易维护等特点。
　　
　　二、门式刚架轻型结构体系存在的问题
　　
　　尽管门式刚架轻型结构体系具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点,但是由于我国在该方面起步较晚,在设计水平等方面与西方发达国家相比都有着较大的差距,符合我国规范的相应的构造措施研究不够,如节点的连接、支撑的布置、结构变形的限制与控制等。因此,采用恰当的简便易行的优化设计方法,编制相应的结构设计软件,降低我国的门式刚架生产成本,是当前研究的主要课题。
　　我国在结构领域广泛应用的热轧H型和T型钢的生产方面落后于国外。冷弯薄壁型钢和压型钢板的防腐涂层材料及工艺方面更为明显。在耐候钢的开发方面,国内产品成本高,且在具备同等耐候能力的焊材和焊接工艺,国外的焊接工字钢生产上已普遍采用单面焊接工艺,国内仍以双面焊为主,这对于腹板较薄的构件将很困难。
　　
　　三、轻钢门式刚架山墙结构体系
　　
　　轻型钢结构中的山墙结构体系除承受山墙端部的屋面竖向荷载外,同时还承受山墙横向和纵墙端部的水平风荷载及地震荷载。一般采用如下图1和图2两种形式:刚架端墙体系和构架端墙体系。前者是由中间标准跨相同的刚架、抗风柱和墙梁组成,简称刚架体系;后者的组成包括端斜梁、支承端斜梁的构架柱(如柱脚铰接,则包含山墙墙面支撑系统)及墙梁,简称构架体系。以上两种体系各有特点,但在实际工程中以刚架体系居多。
　　刚架体系有两部分组成:一是刚架,其截面与中间标准刚架相同,承受端部屋面竖向荷载、山墙端部的水平荷载、纵墙端部的水平荷载及地震荷载;二是山墙抗风系统,承受山墙风载,根据抗风柱布置位置的不同,一般包含抗风柱和墙梁等构件。刚架体系中刚架的受载面积一般为标准跨的一半。抗风柱两端铰接,一般通过构造释放上端竖向约束,不传递刚架梁上的竖向荷载,主要承受风载和墙板自重,但水平风荷载的作用远大于墙板自重,因此抗风柱按受弯构件设计,其计算模型如图3所示。
　　构架体系的竖向承重系统和山墙抗风系统由构架柱、屋面斜梁和墙梁构成,若构架柱柱脚为铰接时则应包含支撑系统和刚性系杆。构架柱上端与山墙斜梁铰接,承受端部屋面竖向荷载、山墙和纵墙端部的水平荷载或地震荷载,为压弯构件,构架柱的计算模型如图4所示。
　　墙梁承受风荷载和墙板自重产生的竖向荷载,属双向受弯构件。刚架体系构造上的特点,使其具有设计制作简单、施工方便、便于支撑体系和吊车梁的布置等优点。这主要是由于端墙刚架一般与中间标准刚架完全相同,因此无须进行单独设计和加工,便于施工;同时,端墙刚架与相邻刚架的截面尺寸相同,容易处理与支撑的连接节点,可以把结构的支撑系统设置在端开间。
　　斜梁简支在构架柱顶部,一般采用平接,因此斜梁按两端简支的受弯构件设计。墙梁承受风荷载和墙板产生的竖向荷载,但在构架体系中墙梁与构架柱间多采用平接,故按简支双向受弯构件设计构架体系的优点为整体性好、外观轻便。山墙构架一般由冷弯薄壁C型钢组成,构架柱与墙梁平接及墙板的蒙皮效应,使构架体系具有较好的平面刚度,能有效的抵抗作用在端墙附近的边墙上的横向风荷载。构架体系中柱间距不大,单根构架承担的荷载较小,因此可选用较小的薄壁截面。由于构架柱与墙梁平接,构架柱的间距较小,构件的数量增加,节点数增多,给施工带来不便。同时,山墙斜梁的截面及板件的厚度与相邻的刚架相比均较小,且斜梁在构架柱处不连续,导致支撑系统连接节点构造困难。因此,一般将支撑系统设置在第二开间,同时在第一开间内设置刚性系杆,将山墙构架柱的风荷载传递到设有支撑的开间。
　　综上分析,刚架体系便于设计施工,具有广泛的实用性,但用钢量略有增加。构架体系多采用“有效截面”的概念进行设计,设计过程较复杂;此外,构件间平接,不便于施工,体系自身的用钢量虽小,但由于在第一开间内须设置刚性系杆,有分析表明,轻便的构架体系并不能从整体上减小用钢量;同时,由于构造特点使其使用范围具有一定的局限性。建议在工程中宜优先选用刚架体系。
　　
　　四、外露式柱脚的设计
　　
　　(一)铰接柱脚
　　铰接柱脚可将柱的轴力和剪力传给基础。柱的轴向压力通过底板直接传给基础,拉力由底板经锚栓传给基础。为经受柱脚产生的假想转动,锚栓是采用专门的制品,宜采用延性较好的Q235制作,必要时也可采用Q345制作。外露式柱脚虽然按铰接假定设计,但某种程度的转动约束是不可避免的。上部框架多少受到由此引起的内力,而基础则受到一定弯矩,因为这些都产生不利影响,设计时应给予必要考虑。
　　
　　(二)刚接柱脚
　　作用于柱的轴力、剪力和弯距通过柱脚向基础传递,抗震结构的这种柱脚应按抗震连接的要求设计。接近完全固定的柱脚,宜采用外包式柱脚和埋入式柱脚。按固定柱脚考虑的外露式柱脚,宜采用埋深较大锚栓。当柱断面较大时,锚栓数量的确定及其布置,对于有抗震设防要求的外露式柱脚,应采用具有充分塑性变形能力的锚栓和有足够刚度的大底板,8度以上时,柱脚宜按近柱下端全塑性弯矩设计,至少应达到全塑性弯矩的50%以上。当柱下端连有支撑时,在地震或大风引起的剪力作用下,锚栓附近的混凝土容易产生破裂等损伤,设计时需注意。在弯矩作用下,底板和锚栓的承载力计算方法,通常是取底板底面作为混凝土截面,在柱轴力和弯距作用下将锚栓看作钢筋,按钢筋混凝土截面的设计方法计算。
　　
　　五、结束语
　　
　　扩大钢结构的使用范围,发展应用广泛的轻型钢结构,可加快我国经济发展速度,促进建筑业的现代化,并为钢材消费提供客观的市场开发与占领,我们应不断提高研究开发能力,掌握国外先进技术,积极参与国内外市场竞争,开拓钢结构市场,在竞争中求发展。
　　
　　参考文献:
　　[1]钢结构设计规范(GB50017-2003).
　　[2]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:2002).
　　[3]建筑抗震设计规范 (GB50011-2001).
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