厂房施工采用大跨度门式结构设计分析

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摘要：针对超过65米以上的跨度超大的门式结构钢架轻量化钢结构车间厂房的规划设计结论研究可以看出，钢结构如果采取分段改变截面大小的排布模式，能够降低钢结构框架的重量，便于生产制作及物流输送；在钢质柱体脚设计成钢接形式的时候，能够行之有效地降低横向支撑梁跨度中部弯矩和有效挠度，与此同时，由于减小了钢结构梁的有效横截面，使得此种方案具备既科学又节约成本的优秀特性，能够为未来相关类型的跨度超大的门式结构钢架结构规划设计和实际应用起到适当的借鉴作用。

关键词：门式钢架结构；轻量化钢结构；跨度超大；校核

引言

我国车间厂房建造行业内使用最普遍的门式结构钢架系统的主体跨度通常是8～35m左右[1]，一般来讲，主体结构跨度大于38m的情况下，需要使用空间网格骨架设计形式。针对跨度超大的门式结构钢架的规划设计和生产搭建过去必须从境外原装进口引入，故此该结构使用的情况比较少。本文将详尽阐述跨度大于65m的跨度超大的门式结构的规划设计。

1项目情况

该建筑工程项目坐落在东南沿海某市，是一家汽车生产企业所属的用于进行车辆撞击情况模拟的试验车间，该车间厂房的独特作用要求其建筑工程内部必须要具备相当大的操作空间，根据厂家的需求该建筑工程内部不能装备任何形式的支撑钢梁，结构最大跨度将超过65m，车辆撞击情况模拟的试验车间轴线方向的尺寸是55m×65m，当中A号轴线～D号轴线之间的跨度均为65m，当中C号轴线距离D号轴线距离是15m，因此D号轴线为整体结构中受力最集中的门式结构钢架结构钢梁。该建筑工程中D号～J号轴线与5号～9号轴线呈现带有弧度的边框，这样操作的主要出发点是希望车辆试验通道可以汇聚到一起从而构成的带圆弧状的墙边形状。跨度超大的门式结构钢架轻量化钢结构钢制柱网络的排布在车间厂房布局规划的过程中，钢结构钢制工程的钢柱网络排布首要任务是必须符合车间生产加工工艺的全部规范和要求，然后才轮到考虑主体结构的解决方案、造价的经济性指标和外部立面的造型美观等方面的因素。钢柱网络排布需要最大限度在符合加工方法下，保证总体的建筑材料使用量为尽量少，该建筑工程主体跨度主要是依据加工方法装备的限制来决定。

2主体结构研究与设计校核

门式结构钢架轻量化钢结构系统是一种横向排布的钢制结构架，纵向排布支持的钢结构系统，该建筑工程的表面轴向线长度为55×65m，接近正方形结构，另外工程加工方法的规范及A方向轴下方必须改扩建车间厂房，因此最后使用了纵置方向结构钢质结构架，横向钢结构架支持的主体结构系统解决方案。门式结构钢架轻量化钢结构内部应力研究时适宜按照平面布置考量，通常不计算金属蒙皮应力效应。假如考虑主体结构面板的金属蒙皮应力效应能够提升钢结构的强度与整体载荷能力，不过现阶段仍旧无法实际推广，仅能看作安全余量，本工程为单跨度双相坡度门式结构钢架轻量化钢结构。门式结构钢架轻量化钢结构的校核使用中国建科院研制的钢架结构计算机辅助设计系统受力分析软件，依据表面存在侧向移动钢结构架受力分析与校核。依据厂房主体结构和厂房所属城市的气候特点：本项目抗震等级约为7度（0.10g），规划地震类型分类为第一类，施工场地分类为Ⅱ类，地表表面精度分类为B类，基础风向压力为0.75kN/m2，厂房主体理论灵活荷载0.5kN/m2，建筑主体额外荷载0.15kN/m2，建筑屋顶是5%双向坡度屋檐窗口离地高度是12.78m。因为钢结构跨度非常大，设计校核中使用了分成三段的截面变化的实体腹式工字造形的横截面，横截面的形状变化符合弯矩曲线的变化趋势，第一能够降低原材料的使用量，第二可以行之有效地降低横向钢梁的自身重量，上述优点针对于门式结构钢架轻量化钢结构较大的刚架来讲是非常必要的，与此同时也有利于生产制造及物流输送。采取腹板深度的逐渐变化横截面，高强度横向钢梁由6截楔状梁单位组合而成。在门式结构钢架轻量化钢结构设计时，移动比、曲度比、载荷比对主体结构计算校核起到主要控制功能。钢柱顶端位置移动参照《钢结构设计规范》附录内容，可选取H/350。通过理论校核，钢柱顶端最高位移量2.223mm，移动比1/5，567<H/450。在移动比符合设计计算书的状况下，钢质柱体最高载荷比为0.641，长宽比最大95。钢结构梁弯曲度允许数值参照《钢结构设计规范》附录内容，选取l/390。通过校核，钢梁弯曲值119.7mm，弯曲度比1/480<l/370，钢结构梁最大载荷比是0.59。主体结构的理论校核钢结构横截面具体尺寸，钢结构柱的横截面具体尺寸是H（1450×543×12×25），钢结构梁A截的横截面具体尺寸是H（2200～1900）×380×11×21，B截的横截面具体尺寸为H（1900×310×13×15），C1加C2截的横截具体面尺寸是H（1780～2231～1780）×340×15×18，D截的横截面具体尺寸是H1780×340×11×22，E截的横截面具体尺寸是H（1780～2055）×360×15×18，钢质结构梁与钢质柱主体质量总和为2，4388kg，即为24.4t。门式结构钢架轻量化钢结构的钢柱脚大部分使用平面式铰链连接钢柱脚，鉴于本建筑工程钢结构架横向钢梁跨度非常大，所以门式结构中弯矩和曲度非常大，理论设计中使用了强度较大钢柱脚，因为钢柱下部内应力引发的内部应力非常大，校核时抗剪切键使用了H（245×145×15）校核时和钢柱脚是铰链联接的状况采取了研究，图1为两种情况的弯矩包络图，在其它条件相同的情况下，采用刚性柱脚时横梁的跨中弯矩及挠度比采用铰接柱脚时分别降低了14～18%，梁柱拼接节点处弯矩亦有所降低，这对于跨度较大的刚架来说是十分有利的。

3屋顶体系及和外立面体系构成布局

车间厂房的屋顶体系及和外立面体系保护材质选用轻质多色造型钢板。屋顶檩条间隔1.5m，依照多跨度持续构件进行理论设计，使用“Z”型冷轧薄桶型钢材Z（245×75×30×2.8），四边单跨度内部都加装高密度檩条Z（245×75×30×1.55）。檩条跨中间设两道刚性支撑，檩条刚性支撑为槽钢（125×1.6），并在屋脊侧边两檩条间设刚性撑间，形成一个整体不动体系。纵墙墙梁采用“Z”型冷弯薄壁型钢Z（210×75×30×1.85），弧形墙墙梁因弧度关系，采用方型钢“口”（210×6.2），都按多跨度持续构件进行理论设计。跨度中部设置一处拉筋，在结构最上端墙体钢梁处设置斜拉筋用以把拉应力传导到承重功能钢柱。

4连通关键点理论设计

钢结构架的组合固定使用了半径是M13.5的10.8级耐磨型高强度螺栓，扭曲剪切型连接副，其原材料是：螺栓使用的材料为20MnTB，螺母使用的材料为15MnVB，垫圈使用的材料为45号钢。连接接触面采用喷砂处理，并要求按规范进行摩擦面抗滑移系数试验。

5结论

（1）针对于跨度超大的门式结构钢架，需要依据主体结构弯矩的变化采用分部分变化截面的形式，以减轻刚架的自重，尤其是横梁的自重，同时方便制作和运输。（2）大跨度门式刚架的柱脚设计为刚接，可以有效地减小横梁跨中弯矩及挠度，这对于大跨度的门式刚架来讲是十分有利的。

6结束语

综上所述，主体结构内预载荷钢结构骨架因为成型初始阶段内应力的影响，提升了主体结构的极限承载力与主体结构的强度，在同样的负载作用下，主体结构弯曲度比较小，具备优良的使用性能。文章的案例表明，体内预应力钢屋架比普通钢屋架节省材料，也优于体外预应力钢屋架。与此同时其构造比体外预应力钢屋架结构简单，作业进度快、建造简易，非常适宜跨度超大的门式结构。

参考文献：

[1]轻型钢结构设计指南编辑委员会.轻型钢结构设计指南（实例与图集）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000：22-158.

[2]钢结构手册编辑委员会.钢结构设计手册2版[M].北京：中国建筑工业出版社，1989：46-208.

[3]钢结构手册编辑委员会.钢结构设计手册3版[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：48-228.

[4]蔡益燕，陈绍蕃，沈祖炎，等.CECS102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2003：56-58.

[5]张启文，夏志斌，黄友明，等.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003：120-124.

作者：伦光明 单位：广州建筑产业研究院有限公司