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輕鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計施工中某些問題的探討

作者：王 希 春    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
通過工程實例，詳細探討了一般輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點設(shè)計、支撐體系、剛架柱腳及檁條設(shè)計、制造、安裝方法，表明輕鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的應(yīng)用有其優(yōu)越性。

    關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 施工

    1.工程概況及結(jié)構(gòu)布置
    沈陽遠大鋁業(yè)有限公司國際鋁業(yè)加工中心廠房工程，總建筑面積為17920?,長280m，寬64m,為兩跨對稱門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)，每跨跨度為32m,柱距為7.5m,有兩臺3t輕型工作制電動單梁吊車。剛架及邊柱采用焊接變高度H型截面，剛架中柱采用等高度H型截面，剛架梁及剛架梁柱間均采用高強度螺栓連接。
    由于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)不設(shè)伸縮縫的要求為：縱向溫度區(qū)段長度不大于300m,橫向溫度區(qū)段不大于150m,因此本工程無須設(shè)置伸縮縫。屋面采用輕質(zhì)材料如壓型鋼板、夾芯板等代替?zhèn)鹘y(tǒng)笨重的預制鋼筋混凝土屋面板，并采用輕型墻體材料使結(jié)構(gòu)輕型化。
    1.鋼結(jié)構(gòu)分析
    取圖1剛架計算。

    1.1計算參數(shù)
    恒載（考慮雙層彩板和檁條）取2.0kN/m,活載取活荷載與雪荷載的較大值3.7kN/m,風載按基本風壓及荷載規(guī)范的體型系數(shù)取用，計算吊車荷載效應(yīng)時考慮吊車輪壓的最不利位置，彈性模量E=206×10 MPa，泊松系數(shù) =0.3.剛架鋼材為Q345，采用摩擦型高強度10.9級螺栓。
    1.2計算方法
    計算使用中國建筑科學研究院編制的鋼結(jié)構(gòu)軟件STS。
    1.3計算控制因素
    1）變形限制
    輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架，當采用輕型墻板作為圍護結(jié)構(gòu)時，柱頂?shù)乃轿灰婆c柱高的比值；設(shè)有由地面操縱的吊車時柱頂位移限值為1/180.僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的門式剛架斜梁容許撓度為L/180（L為受彎構(gòu)件的跨度）
    2）截面參數(shù)控制
    門式剛架梁的最小高度與其跨度之比，對實腹梁可取為1/30-1/45.《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102:2002）規(guī)定：工字型截面構(gòu)件受壓翼緣板自由外伸寬度b與

    1.4 計算及結(jié)果
    按上述計算參數(shù)及控制因素初選截面代入程序計算，并對構(gòu)件進行截面驗算，驗算時應(yīng)注意計算長度的取值。剛架平面內(nèi)柱計算長度系數(shù)應(yīng)根據(jù)剛架柱與基礎(chǔ)的連接方式及截面形式按“規(guī)程”（CECS102:2002）相應(yīng)的表格取用；在剛架平面外，實腹式剛架梁和柱的計算長度，應(yīng)取側(cè)向支承點間的距離，當梁（柱）受壓翼緣的側(cè)向支承點間的距離不等時，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離（在確保安全可靠的前提下，選擇側(cè)向支承點時，應(yīng)注意使剛架截面不由剛架平面外穩(wěn)定計算控制設(shè)計）。根據(jù)驗算結(jié)果對桿件截面進行調(diào)整優(yōu)化，使得截面變化與彎矩大小盡可能趨于一致。
    經(jīng)計算，得出剛架各構(gòu)件的截面尺寸（表1）。

    由表1中截面尺寸可看出，由于剛架跨度較大，其彎矩變化也較大，在梁截面高度變化的同時，將中部構(gòu)件腹板及翼緣厚度也作了相應(yīng)減小，達到了經(jīng)濟選材的目的。
    2.剛架設(shè)計
    2.1剛架節(jié)點設(shè)計
    門式剛架節(jié)點設(shè)計時既要考慮到傳力機制明確，構(gòu)造合理，具有必要的延性，避免應(yīng)力集中及產(chǎn)生過大的約束應(yīng)力，同時也要考慮到制作、安裝方便，容易就位和調(diào)整。螺栓端板連接的設(shè)計步驟通常是：1）根據(jù)受力和構(gòu)造要求選擇連接方式并布置螺栓；2）計算螺栓所受拉力并確定螺栓直徑；3）確定端板厚度；4）驗算構(gòu)件腹板的局部強度；5）焊縫設(shè)計。由于端板連接是半剛性連接，如節(jié)點彎矩過大會使其失效，因此設(shè)計時應(yīng)有足夠的安全儲備，特別是邊柱和斜梁連接處。
    門式剛架橫梁與柱的連接有端板豎放、斜放、平放等方式，端板的厚度由計算確定，但不宜小于16ｍｍ。端板過薄，不滿足所需要的強度和剛度要求，設(shè)計中應(yīng)首先考慮增加端板的厚度。如果增加端板厚度很不經(jīng)濟或者厚度很大時則考慮采用加勁肋。不過采取這種形式一定要注意滿足高強螺栓的安裝間距要求。高強螺栓的施工大都采用電動扳手，不同規(guī)格、類別（如大六角型和扭剪型）的高強螺栓所需要的安裝間距基本相同，如果間距過小，則不便于使用電動扳手進行操作。
    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102:2002）第7.2.5條規(guī)定：螺栓中心至翼緣板表面的距離應(yīng)滿足擰緊螺栓的施工要求，不宜小于35mm。此值是根據(jù)電動扳手套筒的外徑得來的。在沒有側(cè)向板件（H型鋼的翼緣和腹板）約束情況下可以滿足要求，但是由于有側(cè)向板件的約束，螺栓與側(cè)向約束的距離必須大于電動扳手本身的外徑，才能保證電動扳手與端板垂直，從而將螺栓擰緊。如YJ-A24型電動扳手外徑為120 mm.螺栓與腹板或翼緣板的邊距必須大于60 mm方可施工。在設(shè)計中要根據(jù)具體條件充分考慮施工的要求，不要盲目認為只要不小于35 mm就行了。另外，由于端板焊接加勁肋的焊縫過多，會加重端板的角變形，引起端板不平，增加了矯正的工作量，而且矯正的效果不一定很好，影響構(gòu)件的使用功能。本工程剛架各節(jié)點大樣見圖2.

    2.2 剛架柱腳設(shè)計
    門式剛架柱腳有鉸接和剛接兩種，其中剛接柱腳一般用于大噸位吊車的結(jié)構(gòu)中。由于在門式剛架中，基礎(chǔ)除了承受由柱傳來的豎向荷載外還要承受由風載等產(chǎn)生的水平荷載作用，水平荷載通過柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土之間的摩擦力傳給基礎(chǔ)。在鉸接柱腳中，在滿足基礎(chǔ)混凝土端面承壓后，有時柱腳與基礎(chǔ)之間的摩擦力不足以抵抗由風載產(chǎn)生的水平力而使螺栓受剪，而柱腳螺栓一般不允許承受剪力。因此，有些設(shè)計者為增大摩擦力而增大了柱腳底板尺寸，但是增大柱腳底板尺寸不能增大摩擦力。正確的做法是增加抗剪鍵，抗剪鍵通常用型鋼或鋼管制作。本工程剛架柱腳采用平板式柱腳，這種柱腳形式構(gòu)造簡單，便于現(xiàn)場安裝，且計算模式也較簡單，在無大噸位吊車的輕鋼廠房設(shè)計中被廣泛采用。
    2.3 支撐體系設(shè)計
    本工程的屋面和柱間支撐主要采用由張緊的圓鋼組成的柔性支承，系桿設(shè)計成壓桿，采用焊接圓鋼管（若吊車荷載較大則下柱支撐應(yīng)設(shè)計成剛性支承）,支撐系統(tǒng)的計算簡圖見圖3。通過計算，交叉支撐SR1、ZC2選用∮22圓鋼ZC1選用∮25圓鋼，系桿LL1選用∮121×3.0焊接管，LL2、LL3選用∮140×3.5焊接管。布置時將支撐布置在靠近翼緣一側(cè)，以減小連接處腹板的局部變形，有利于側(cè)向支點的剛度貢獻。


    2.4 屋面體系和圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計
    屋面設(shè)計包括檁條、支撐系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu)及屋面采光通風的設(shè)計。由于壓型鋼板屋面的特殊性——易漏雨，因此，在屋面通風設(shè)計中要盡量將洞口開在屋脊處。如果根據(jù)工藝要求必須在坡面上開洞時，要采取嚴格的防水措施。特別是迎水面，最好選用柔性的防水蓋片，盡量避免采用剛性防水，同時做好迎水面的排水設(shè)計，使迎水面不積水。
    采光設(shè)計應(yīng)優(yōu)先采用帶有防老化膜的與屋面板波形一致的玻璃鋼采光帶，由于采光帶與屋面板波形一致，防水問題能夠得到較好的處理。有些設(shè)計者為了追求立面的變化而將采光設(shè)計成采光罩，這樣便增大了屋面漏雨的概率。
    門式剛架的屋面由于采用輕質(zhì)材料，一般都采用冷彎型鋼檁條，常用的有卷邊C型和卷邊Z型。這種檁條用鋼量省、制作方便，但側(cè)向剛度小，設(shè)計時要考慮檁條施工時的整體穩(wěn)定。
    設(shè)置屋面檁條之間的拉條是控制檁條側(cè)向失穩(wěn)的重要措施,《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102:2002）第6.3.5條規(guī)定：檁條跨度大于4m，宜在檁條間跨中設(shè)置拉條或撐桿；跨度大于6m，應(yīng)在檁條跨度三分點處各設(shè)置一道拉條或撐桿，在屋脊處還應(yīng)設(shè)置斜拉條和撐桿。斜拉條和撐桿一起構(gòu)成了屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系。在單跨剛架設(shè)計中，根據(jù)規(guī)范設(shè)置斜拉條和撐桿是可以的，但如果對多跨雙坡屋面只在屋脊處設(shè)置斜拉條和撐桿則有些不妥，原因是在拉桿的施工中，過長的屋面使拉桿不易拉緊。最好在每一柱列處均設(shè)置斜拉條和撐桿。在設(shè)計時要考慮由于檁條的板件很薄，拉條容易將檁條壁拉變形，在屋面拉條沒有形成整體之前，拉條并不能約束檁條的扭轉(zhuǎn)，因此拉條與檁條的連接宜采用兩側(cè)帶螺母同時加墊片的方式，見圖4a，屋脊檁條連接宜采用槽鋼或角鋼，這樣可以形成較大的空間剛度，如圖4b。

    本工程檁條采用斜卷邊Z形冷彎型鋼，規(guī)格為Z250X2.2，按連續(xù)實腹式檁條計算，檁條搭接長度取為1m，搭接處兩端及中間均用M14螺栓連接。由于跨度7.5m。按“規(guī)程”（CECS102:2002）要求在檁條跨度三分處各設(shè)置一道拉條，拉條采用∮12圓鋼，設(shè)置在離檁條上、下翼緣1/3腹板高度處。
    3.施工中的問題
    3.1 H型鋼施工過程中的變形控制
    門式剛架所用的板件很薄，對薄板的下料應(yīng)首選剪切方式而避免用火焰切割。因為用火焰切割會使板邊產(chǎn)生很大波浪變形。
    目前H型鋼的焊接大多數(shù)廠家均采用埋弧自動焊或半自動焊。如果控制不好易燒傷母材，產(chǎn)生咬邊、塌陷、燒穿等缺陷，易發(fā)生焊接變形，使構(gòu)件彎曲或扭曲。翼緣的角變形可以用H型鋼矯直機進行矯正，但側(cè)彎和扭曲卻很難用設(shè)備進行矯正，目前大多數(shù)廠家仍然用火焰矯正，費工費時，效率很低。因此焊接時必須嚴格控制輸熱量，控制焊縫的高度，正確使用焊接夾具，采用正確的焊接順序，盡量減小構(gòu)件的變形。
    3.2 梁端板不平或傾斜
    梁端板不平或傾斜在門式剛架中幾乎成了一種通病，由于在門式剛架中梁一般都是變截面，端板既不垂直上翼緣，也不垂直下翼緣，端板不宜定位。在施工中最好用專門制造的卡尺測量，以確保端板的角度正確，另外，由于端板與梁的焊接會造成端板的角變形，因此，要嚴格控制焊接的工藝參數(shù)，盡量采用3.2mm的小焊條或CO2氣體保護焊，矯正時要畫好烤槍的行走區(qū)域。
    3.3 檁條在施工過程中的變形
    制作檁條的鋼板其厚度一般在2-3mm之間，在屋面的支撐系統(tǒng)沒有形成之前，檁條自身的剛度較差，因此要控制施工過程的荷載。主要是在安裝拉條時控制活荷載。在安裝拉條時，一般是兩個人分別騎在的兩根檁條上然后將拉條擰緊。雖然檁條的設(shè)計考慮了1KN的施工荷載，但往往設(shè)計人員將1KN的施工荷載放在拉條形成之后考慮。因此，經(jīng)常發(fā)生檁條提前失穩(wěn)的現(xiàn)象。在實際施工中，要采取科學的施工方法，如搭設(shè)可移動的平臺安裝拉條;采取合理的施工順序，如從屋脊處向兩邊安裝，先在地面上涂刷油漆和防火涂料等，以減小施工荷載。
    3.4運輸、吊裝時的變形
    輕鋼構(gòu)件在運輸和吊裝時容易變形，因此要采取措施避免由于運輸和吊裝的不合理而對構(gòu)件造成損傷。如鋼結(jié)構(gòu)在運輸時宜在下方用方木墊起，綁扎牢固，吊裝和綁扎時要注意對油漆的保護，并減少構(gòu)件的倒運次數(shù)等。
    4.結(jié) 語
    輕型鋼結(jié)構(gòu)體系由于用鋼量少，設(shè)計安裝時間短，工業(yè)化生產(chǎn)程度高，因此在現(xiàn)代建筑，特別是廠房、倉庫等大跨度結(jié)構(gòu)中將得到更廣泛的應(yīng)用。
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