鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文以內蒙古一煤場集運站工程為例，介紹了跨度為53.5m的多連跨門式剛架結構形式的選型及設計思路，以及在設計和施工時應注意的幾個要點，對大跨度門式剛架結構形式的設計及應用進行一些探討。
關鍵詞：大跨度；門式剛架；多連跨；輕鋼結構；節(jié)點
1. 前言
隨著經濟的發(fā)展，人們對環(huán)境的重視度也越來越高，政府也加大了力度治理環(huán)境污染，內蒙古政府為了治理環(huán)境，對內蒙古現(xiàn)有的露天煤場及其集運站均進行了環(huán)境評估，對那些環(huán)境評估不達標的進行整改，而煤場集運站對環(huán)境的污染最嚴重的就是揚塵，而對揚塵最好的治理辦法就是將粉塵封閉，本文論述了某一煤場集運站的封閉設計過程。
2. 工程概況
該煤場集運站為1616米x309.2米（長x寬），占地面積為50萬平方米，為6連跨，第一跨為53m，第二到第五跨均為53.5m，第六跨為42.2m，其中前5跨跨中均有一條運煤專線電氣化鐵路，鐵路上面設有高壓線，煤場的最高堆煤高度為15m，煤場四周已設有擋風抑塵墻，墻頂標高為20m，此次設計主要為加蓋煤場的屋頂，而且其整個屋面需安裝太陽能電池板，屋面作為一個大型的太陽能發(fā)電裝置。建筑施工總圖見圖1。
圖1 建筑總平面布置圖（大跨度門式剛架）
3. 設計荷載及選材
本工程建筑抗震設防類別：丙類；設防烈度：8度；設計基本地震加速度值：0.30g；設計地震分組：第一組；抗震類別：丙類；場地類別：Ⅲ類。
設計荷載：屋面恒荷載：0.40kN/m2（單層壓型彩鋼板+太陽能板）；屋面活荷載：0.30 kN/m2 (剛架)/0.50 kN/m2 (檁條)；基本風壓：0.55kN/m2；基本雪壓：0.25kN/m2；地面粗糙度：B類。
材料選用和要求：本工程鋼柱、鋼梁材質為Q345B；抗風柱、屋面支撐及柱間支撐材質為Q235B； 屋面檁條、墻檁采用熱鍍鋅處理，材質為Q345；其余次結構材質均采用Q235。
4. 結構分析
4.1 結構選型
在結構選型上，進行了三個方案的比較，大跨度門式剛架方案、網架方案及桁架方案，經過方案比較，決定采用大跨度門式剛架方案，其優(yōu)勢在于： 1）可以采用梁柱剛接節(jié)點，降低整個結構的高度，控制在擋風抑塵墻之下，減少風荷載對整個結構的影響；2）考慮到煤場有5條運煤專用鐵路，每天均有數(shù)量不等的運煤火車進出，在施工時需考慮火車和堆煤對整個施工的影響，若采用網架及桁架，這么大的跨度，需要設置滿堂的腳手架，這樣既影響煤場堆煤，也影響火車進出，采用門式剛架，施工比較靈活，可以根據現(xiàn)場的實際情況隨時作出變動；3）從經濟上來比較，門式剛架的制作施工成本均較網架、桁架低；根據以上幾點，最終選定為門式剛架結構形式。
4.2 結構分析的幾點思考
1）由于工程地處煤場，為防止煤對廠房鋼柱柱腳的腐蝕，我們將鋼柱設為剛接，柱腳底板標高定為+1.000米，將其立于砼柱上（見圖2）。
圖2 獨立基礎（大跨度門式剛架）
2）根據《鋼結構設計規(guī)范》溫度區(qū)段長度不大于120m。
由于廠房縱向長度為1616m，縱向長度比規(guī)范限定的120m超出太多，若在結構上每120m設置結構伸縮縫即立雙柱，勢必會使廠房用鋼量增加，因此我們對結構方案作了調整，即將整個廠房分為12個區(qū)段，每兩個區(qū)段之間布置一個天井，天井寬度為12m（見圖1），這樣既符合規(guī)范對廠房縱向溫度區(qū)段不大于120m的規(guī)定且天井對整個廠區(qū)起到了釋放溫度應力的作用，同時整個廠區(qū)的通風與采光大大改良，廠房的造價也相應降低。
3） 為保證廠房屋面的整體穩(wěn)定性，我們在設計中將整個屋面的水平支撐作環(huán)狀封閉布置，且每跨的屋面水平支撐也設計為一個封閉圈，現(xiàn)取某個區(qū)域圖為例（見圖3）。
圖3 屋面水平支撐圖
4） 廠房兩區(qū)段（即天井端部）之間采用加密C型檁條連接，檁條與鋼梁之間采用可滑移的連接節(jié)點，以減少溫度應力保證各區(qū)段之間的獨立性。檁條連接板上采用長圓孔（Φ14x90），并使檁條與鋼梁之間可相對滑移（見圖4）。
圖4 天井處檁條連接節(jié)點做法（大跨度門式剛架）
4.3 計算結果
本工程采用PKPM系列之STS進行計算分析，受壓構件的長細比控制為1/150，受拉構件的長細比控制為1/300，絕對撓度限值控制為1/180。模型經過多次調整后，其彎矩及撓度值見圖5（截兩跨為例）。
圖5 剛架彎矩及撓度圖
經調整后剛架梁柱截面見圖6
圖6 剛架模型示例
5. 節(jié)點分析
本工程設計難點主要在于剛架單跨跨度大，導致屋面鋼梁截面較高，鋼梁截面高度最大處達1800mm，這給節(jié)點設計與現(xiàn)場安裝帶來了一定難度，為解決施工安裝問題，我們對構件連接節(jié)點作了必要的計算分析，最后采取以下兩種措施：a．梁柱連接節(jié)點采用剛接連接形式，有利于剛架剛度的提高，即鋼梁翼緣用現(xiàn)場單面剖口對接焊焊接，腹板用M30摩擦型高強螺栓連接,并加厚柱頂連接板，且梁柱連接板采用雙剪連接，一塊采用工廠焊接，一塊采用現(xiàn)場焊接。具體節(jié)點形式（見圖7）。
具體計算步驟如下：
1） 示意圖：
圖7 梁柱連接節(jié)點
連接類型：摩擦型高強螺栓
2）基本參數(shù)
螺栓選用摩擦型高強螺栓M30，10.9級，構件材性：Q345。
摩擦面處理：鋼絲刷清除浮銹或 未經處理的干凈軋制表面摩擦面的抗滑移系數(shù)為 0.35，受剪面數(shù)目為1個，計算得：單個螺栓受剪承載力 Nvb = 111.825 kN，螺栓承載力折剪系數(shù)為 0.78254，折剪后單個螺栓受剪承載力 Nvb = 87.5075 kN，螺栓群受力 N = 0 kN ， V = 110 kN ， M = 580 kN•M
3）螺栓群形心計算
螺栓個數(shù) BoltNum = 32，排列方式見下圖梁柱連接節(jié)點。
4）螺栓受力計算
螺栓受剪力最大處：受到N產生的剪力 Nx1 = 0 KN；受到V產生的剪力 Ny1= -3.4375 KN；受到M產生的剪力 Nx2 = -63.2267 KN ， Ny2 = -4.21512 KN ，Nv = 63.6882 KN ， Nv <= Nvb 滿足!
5）凈截面承載力驗算
Vy = 110.00kN;
Ⅰ-Ⅰ截面的毛截面計算面積：
A = （2×70＋100）×16 = 3840.00mm2 ；凈截面計算面積：An =（2×70＋100）×16－2×32.00×16 = 2816.00mm2；σ1 = 110.00×103/3840.00 = 28.65N/mm2；σ2 =（1-0.5×（2/32））×（110.00×103/2816.00） = 37.84N/mm2；σ = max{σ1,σ2} = 37.84N/mm2≤f=310N/mm2，滿足要求。
6）節(jié)點板抗彎驗算
節(jié)點板：-16×1640×240，I=bh3/12=0.016×1.643/12=5.88×10-3m4，
W=2I/h=5.88×10-3/0.82=7.17×10-3m3，
σ=M/W=580×103/7.17×10-3=80.9N/mm2<345N/mm2 滿足抗彎。經過驗算，認為在保證剛架側向穩(wěn)定的前提下，屋面鋼梁能滿足翼緣抗彎腹板抗剪的要求，且梁柱連接處單塊連接板能承受屋面鋼梁的荷重，此理論計算為現(xiàn)場安裝提供了一定的理論依據，也為工程的順利施工奠定了基礎。
b．為便于現(xiàn)場安裝加快工程進度梁梁連接節(jié)點采用端板拼裝形式，具體見圖8。
圖8 梁梁連接節(jié)點（大跨度門式剛架）
計算如下： 1）高強螺栓參數(shù)：選用螺栓型號為M30；螺栓強度等級：10.9級 2）連接構件參數(shù)：摩擦面抗滑移系數(shù)為0.35；連接構件材質：Q235 3）節(jié)點內力：彎矩M：1061.5 KN.M；剪力V： 95.9 KN 4）驗算結果：Nt: 226.53KN Nv: 4.79KN；t≥ 26.5mm 受力最大螺栓承受拉力值 Nt：226.53KN < 設計預拉力 0.8*P：284KN 滿足；單個螺栓承受的剪力 Nv：4.79KN < 抗剪承載力設計值 Nvb： 22.62KN 滿足；端板所需厚度 t≥ 26.5mm ，翼緣內第二排螺栓處應設置加勁板或局部加厚腹板。
6. 結論
1）大跨度的門式剛架應根據彎矩的變化采取分段變截面的形式，以減輕剛架的自重，尤其是橫梁的自重，這樣方便制作和運輸。
2）大跨度的門式剛架采用高強度的鋼材有利于減小截面尺寸和自重，但同時橫梁剛度降低，設計撓度增大，設計中應綜合考慮。
3）門式剛架的柱腳設為剛接，可有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對于大跨剛架節(jié)省用鋼量是十分有利的。
4）大跨度門式剛架加強其屋面水平剛度，加強屋面鋼梁與鋼柱的節(jié)點剛度，可大大提高其整體穩(wěn)定性。
5）門式剛架屋面檁條與鋼梁之間采用可滑移的節(jié)點有利于減少屋面的溫度應力。
參考文獻
［1］《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2001）（2006版）
［2］《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）
［3］《建筑鋼結構焊接規(guī)程》（JGJ81-2002）
［4］《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）
［5］《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）
［6］《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》（CECS 102:2002）
［7］《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）
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