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大跨度門式剛架在工程中的應(yīng)用

作者:翁海江 馮李慧 趙榮招    
時(shí)間:2013-11-22 09:08:25 [收藏]
本文以內(nèi)蒙古一煤場集運(yùn)站工程為例,介紹了跨度為53.5m的多連跨門式剛架結(jié)構(gòu)形式的選型及設(shè)計(jì)思路,以及在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn),對大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行一些探討。
    關(guān)鍵詞:

       要:本文以內(nèi)蒙古一煤場集運(yùn)站工程為例,介紹了跨度為53.5m的多連跨門式剛架結(jié)構(gòu)形式的選型及設(shè)計(jì)思路,以及在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn),對大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行一些探討。

    關(guān)鍵詞:大跨度;門式剛架;多連跨;輕鋼結(jié)構(gòu);節(jié)點(diǎn)

    1. 前言

    隨著經(jīng)濟(jì)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(nèi)蒙古政府為了治理環(huán)境,對內(nèi)蒙古現(xiàn)有的露天煤場及其集運(yùn)站均進(jìn)行了環(huán)境評估,對那些環(huán)境評估不達(dá)標(biāo)的進(jìn)行整改,而煤場集運(yùn)站對環(huán)境的污染最嚴(yán)重的就是揚(yáng)塵,而對揚(yáng)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(yùn)站的封閉設(shè)計(jì)過程。

    2. 工程概況

    該煤場集運(yùn)站為1616x309.2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(yùn)煤專線電氣化鐵路,鐵路上面設(shè)有高壓線,煤場的最高堆煤高度為15m,煤場四周已設(shè)有擋風(fēng)抑塵墻,墻頂標(biāo)高為20m,此次設(shè)計(jì)主要為加蓋煤場的屋頂,而且其整個(gè)屋面需安裝太陽能電池板,屋面作為一個(gè)大型的太陽能發(fā)電裝置。建筑施工總圖見圖1。

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    建筑總平面布置圖(大跨度門式剛架

    3. 設(shè)計(jì)荷載及選材

    本工程建筑抗震設(shè)防類別:丙類;設(shè)防烈度:8度;設(shè)計(jì)基本地震加速度值:0.30g;設(shè)計(jì)地震分組:第一組;抗震類別:丙類;場地類別:Ⅲ類。

    設(shè)計(jì)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(fēng)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(zhì)為Q345B;抗風(fēng)柱、屋面支撐及柱間支撐材質(zhì)為Q235B; 屋面檁條、墻檁采用熱鍍鋅處理,材質(zhì)為Q345;其余次結(jié)構(gòu)材質(zhì)均采用Q235

    4. 結(jié)構(gòu)分析

    4.1 結(jié)構(gòu)選型

    在結(jié)構(gòu)選型上,進(jìn)行了三個(gè)方案的比較,大跨度門式剛架方案、網(wǎng)架方案及桁架方案,經(jīng)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(diǎn),降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的高度,控制在擋風(fēng)抑塵墻之下,減少風(fēng)荷載對整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響;2)考慮到煤場有5條運(yùn)煤專用鐵路,每天均有數(shù)量不等的運(yùn)煤火車進(jìn)出,在施工時(shí)需考慮火車和堆煤對整個(gè)施工的影響,若采用網(wǎng)架及桁架,這么大的跨度,需要設(shè)置滿堂的腳手架,這樣既影響煤場堆煤,也影響火車進(jìn)出,采用門式剛架,施工比較靈活,可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況隨時(shí)作出變動(dòng);3)從經(jīng)濟(jì)上來比較,門式剛架的制作施工成本均較網(wǎng)架、桁架低;根據(jù)以上幾點(diǎn),最終選定為門式剛架結(jié)構(gòu)形式。

    4.2 結(jié)構(gòu)分析的幾點(diǎn)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(shè)為剛接,柱腳底板標(biāo)高定為+1.000米,將其立于砼柱上(見圖2)。

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    獨(dú)立基礎(chǔ)(大跨度門式剛架

      2)根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)上每120m設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫即立雙柱,勢必會(huì)使廠房用鋼量增加,因此我們對結(jié)構(gòu)方案作了調(diào)整,即將整個(gè)廠房分為12個(gè)區(qū)段,每兩個(gè)區(qū)段之間布置一個(gè)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(gè)廠區(qū)起到了釋放溫度應(yīng)力的作用,同時(shí)整個(gè)廠區(qū)的通風(fēng)與采光大大改良,廠房的造價(jià)也相應(yīng)降低。

    3 為保證廠房屋面的整體穩(wěn)定性,我們在設(shè)計(jì)中將整個(gè)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(shè)計(jì)為一個(gè)封閉圈,現(xiàn)取某個(gè)區(qū)域圖為例(見圖3)。

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    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(diǎn),以減少溫度應(yīng)力保證各區(qū)段之間的獨(dú)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)。

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    天井處檁條連接節(jié)點(diǎn)做法(大跨度門式剛架

    4.3 計(jì)算結(jié)果

        本工程采用PKPM系列之STS進(jìn)行計(jì)算分析,受壓構(gòu)件的長細(xì)比控制為1/150,受拉構(gòu)件的長細(xì)比控制為1/300,絕對撓度限值控制為1/180。模型經(jīng)過多次調(diào)整后,其彎矩及撓度值見圖5(截兩跨為例)。

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    剛架彎矩及撓度圖

    經(jīng)調(diào)整后剛架梁柱截面見圖6

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    剛架模型示例

    5. 節(jié)點(diǎn)分析

        本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于剛架單跨跨度大,導(dǎo)致屋面鋼梁截面較高,鋼梁截面高度最大處達(dá)1800mm,這給節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)作了必要的計(jì)算分析,最后采取以下兩種措施:a.梁柱連接節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)形式(見圖7)。

    具體計(jì)算步驟如下:

    1  示意圖:

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     圖7 梁柱連接節(jié)點(diǎn)

    連接類型:摩擦型高強(qiáng)螺栓

    2)基本參數(shù)

    螺栓選用摩擦型高強(qiáng)螺栓M30,10.9級,構(gòu)件材性:Q345。

    摩擦面處理:鋼絲刷清除浮銹或  未經(jīng)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(gè),計(jì)算得:單個(gè)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(gè)螺栓受剪承載力 Nvb = 87.5075 kN,螺栓群受力 N = 0 kN , V = 110 kN , M = 580 kNM

    3)螺栓群形心計(jì)算

       螺栓個(gè)數(shù) BoltNum = 32,排列方式見下圖梁柱連接節(jié)點(diǎn)。

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    4)螺栓受力計(jì)算

    螺栓受剪力最大處:受到N產(chǎn)生的剪力 Nx1 = 0 KN;受到V產(chǎn)生的剪力 Ny1= -3.4375 KN;受到M產(chǎn)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(yàn)算

    Vy = 110.00kN;

    -Ⅰ截面的毛截面計(jì)算面積:

    A = 2×70100)×16 = 3840.00mm2 ;凈截面計(jì)算面積:An =2×70100)×162×32.00×16 = 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/mm2f=310N/mm2,滿足要求。

    6)節(jié)點(diǎn)板抗彎驗(yàn)算

       節(jié)點(diǎn)板:-16×1640×240I=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(jīng)過驗(yàn)算,認(rèn)為在保證剛架側(cè)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(jì)算為現(xiàn)場安裝提供了一定的理論依據(jù),也為工程的順利施工奠定了基礎(chǔ)。

    b.為便于現(xiàn)場安裝加快工程進(jìn)度梁梁連接節(jié)點(diǎn)采用端板拼裝形式,具體見圖8。

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    梁梁連接節(jié)點(diǎn)(大跨度門式剛架

    計(jì)算如下:   1)高強(qiáng)螺栓參數(shù):選用螺栓型號為M30;螺栓強(qiáng)度等級:10.9   2)連接構(gòu)件參數(shù):摩擦面抗滑移系數(shù)為0.35;連接構(gòu)件材質(zhì):Q235   3)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力:彎矩M1061.5 KN.M;剪力V 95.9  KN   4)驗(yàn)算結(jié)果:Nt: 226.53KN   Nv: 4.79KN;t 26.5mm      受力最大螺栓承受拉力值  Nt226.53KN < 設(shè)計(jì)預(yù)拉力  0.8*P284KN 滿足;單個(gè)螺栓承受的剪力 Nv4.79KN < 抗剪承載力設(shè)計(jì)值 Nvb 22.62KN 滿足;端板所需厚度 t 26.5mm ,翼緣內(nèi)第二排螺栓處應(yīng)設(shè)置加勁板或局部加厚腹板。

    6. 結(jié)論

    1)大跨度的門式剛架應(yīng)根據(jù)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(yùn)輸。

    2)大跨度的門式剛架采用高強(qiáng)度的鋼材有利于減小截面尺寸和自重,但同時(shí)橫梁剛度降低,設(shè)計(jì)撓度增大,設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮。

    3)門式剛架的柱腳設(shè)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(qiáng)其屋面水平剛度,加強(qiáng)屋面鋼梁與鋼柱的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)有利于減少屋面的溫度應(yīng)力。

    參考文獻(xiàn)

    1]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)(2006版)

    2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003

    3]《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81-2002

    4]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001

    5]《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2001

    6]《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102:2002

    7]《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591-2008


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