郭海利
摘 要:本文主要介紹了門式剛架鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不論是主結(jié)構(gòu)還是次結(jié)構(gòu),荷載取值錯誤、漏輸、錯輸?shù)那闆r及對其結(jié)構(gòu)計算的影響。
關(guān)鍵詞:門式剛架;荷載;設(shè)計
1 前言
伴隨著我國經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)已逐步在工業(yè)廠房,商業(yè)大樓,民用住宅,大型場館等公共建筑中被廣泛應(yīng)用。輕型鋼結(jié)構(gòu)除具有普通鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均勻,可靠性高;強(qiáng)度高,重量輕;塑性韌性,抗震性能好;便于機(jī)械化制造,施工期短;可回收,建筑造型美觀等特點(diǎn)以外,一般還具有取材方便,用料較省,自重更輕等特點(diǎn)。它對加快基本建設(shè)速度,特別對中小型企業(yè)的建設(shè),以及對現(xiàn)有企業(yè)的挖潛、革新、改造等工作能夠起到顯著地作用,因而受到建設(shè)單位,尤其是在工業(yè)建筑中的普遍歡迎。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很好,總造價較低,再加上結(jié)構(gòu)自重輕為改革重型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造了條件。因此,輕型鋼結(jié)構(gòu)是很有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。
在目前的工程實踐中,門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構(gòu)件,單跨剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接,多跨者大多剛接和鉸接并用;柱腳可與基礎(chǔ)剛接或鉸接;維護(hù)結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板;保溫隔熱材料多采用玻璃絲綿。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法,按分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算;承重構(gòu)件按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。
2 門式剛架的適用范圍及特點(diǎn)
2.1 門式剛架適用范圍
門式剛架通常用于跨度9米~36米、柱距6米,柱高4.5米~12米,設(shè)有吊車起重量較小的單層工業(yè)房屋或公共建筑(超市、娛樂體育設(shè)施、車站候車室、碼頭建筑)。設(shè)置橋式吊車時,宜為起重量不大于20t的中、輕級工作制的吊車,設(shè)置懸掛吊車時,其起重量不宜大于3t。
2.2 輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)由主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)組成
主結(jié)構(gòu)包括橫向框架、縱向支撐及系桿,次結(jié)構(gòu)包括檁條、隅撐及屋墻面板。計算分析一般是將主次結(jié)構(gòu)組成的空間問題簡化為二維平面問題,即橫向簡化為平面剛架,縱向簡化為屋面水平支撐和柱間支撐,檁條簡化為單跨簡支或多跨連續(xù)檁條,采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行。特點(diǎn)主要有:
(1)采用輕型屋面,可減小梁柱截面及基礎(chǔ)大小。
(2)在大跨建筑中增設(shè)中間柱做成一個屋脊的多跨大雙坡屋面,以避免內(nèi)天溝排水。中間柱可采用鋼管制作的上下鉸接搖擺柱,占空間小。
(3)剛架側(cè)向剛度可藉檁條和墻梁的隅撐保證,以減少縱向剛性構(gòu)件和減小翼緣寬度。
(4)跨度較大的剛架可采用改變腹板高度、厚度及翼緣寬度的變截面。
(5)剛架的腹板允許其部分失穩(wěn),利用其屈曲后的強(qiáng)度,即按有效寬度設(shè)計,可減小腹板厚度,不設(shè)或少設(shè)橫向加勁肋。
(6)豎向荷載通常是設(shè)計的控制荷載,地震作用一般不起控制作用。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時,風(fēng)荷載的作用不應(yīng)忽視。
(7)為使非地震區(qū)支撐做得輕便,可采用張緊的圓鋼。
(8)構(gòu)件可全部在工廠制作,工業(yè)化程度高。構(gòu)件單元可根據(jù)運(yùn)輸條件劃分,單元之間在現(xiàn)場用螺栓連接,安裝方便快速,土建施工量小。
3 永久荷載取值問題
對于門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)而言,永久荷載包括屋墻面板、通風(fēng)器、檁條、支撐系桿、剛架梁柱及連接等構(gòu)配件的自重。常見永久載取值問題:
(1)永久荷載漏算或取值偏小。少算或漏算建筑已確定的構(gòu)件自重、吊頂荷載或懸掛荷載,這將導(dǎo)致豎向永久、可變荷載控制設(shè)計時,結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力及變形偏小。
(2)計算中漏算剛架自重。如鋼結(jié)構(gòu)在采用STS計算剛架時,計算總信息顯示“梁柱自重計算信息IA”為0,即程序設(shè)定不算自重。一般剛架計算自重參數(shù)必須填寫正確。
(3)屋面板或墻面板荷載取值偏小或漏算。如剛架工程采用夾芯雙層壓型鋼板,計算卻按單層板重量采用;墻梁計算中一側(cè)墻板重量未計入,少算了墻板總重對墻梁弱軸所引起的效應(yīng)。
(4)漏算縱向構(gòu)件傳至橫向剛架的荷載,如抽柱設(shè)置托梁處漏算或少算托梁傳來的荷載;未計入屋面通風(fēng)器自重荷載。
(5)永久荷載受荷寬度取值偏小,致使剛架或檁條每延米恒載偏小。
(6)漏算少算懸掛荷載,CECS102第3.2.1條規(guī)定“懸掛荷載應(yīng)按實際情況取用”,如對展廳、超市或廠房內(nèi)可能在屋面小懸掛設(shè)備、管道或吊頂。
4 可變荷載取值問題
對輕型門式剛架而言,一般可變荷載包括屋面可變荷載、屋面積灰荷載及施工或檢修荷載。
屋面剛架荷載取值較大和屋面檁條荷載取值偏小。《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)(2012年版)中第3.2.2條附注“對受荷水平投影面積大于60 m2的剛架結(jié)構(gòu),屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3kN/m2?!边@是針對剛架計算的。部分工程在計算檁條時,本應(yīng)按0.5kN/m2取值,卻取上述僅適用剛架的0.3 kN/m2。一個特殊的情況是,若存在兩個或兩個以上可變荷載并計入荷載組合系數(shù)參與組合時,即使屋面投影面積大于60m2,屋面活載仍應(yīng)取0.5kN/m2,其依據(jù)是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017-2003)中第3.2.1條注:“對支承輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)(檁條、屋架、框架等),當(dāng)僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60 m2時,屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取0.3kN/m2”。
案例分析:精粉儲存大棚,見右圖,結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨門式剛架結(jié)構(gòu),跨度21米,柱距7.5米,剛架的計算面積為右圖中陰影部分,面積為7.5×7×6=315 m2≥60 m2,根據(jù)規(guī)范要求計算GJ屋面均布活荷載取0.3 kN/m2。屋面均布活荷載:當(dāng)采用0.5 kN/m2時,每榀GJ的用鋼量為4062.1kg,當(dāng)采用0.3kN/m2時,每榀GJ的用鋼量為3534.6kg。從計算結(jié)果可以看出每榀GJ相差4062.1-3534.6=527.5 kg。
5 風(fēng)荷載取值問題
門式剛架自重輕,對風(fēng)荷載非常敏感,在風(fēng)吸力作用下往往會發(fā)生荷載效應(yīng)反向的情況,在基本風(fēng)壓較大的地區(qū)一般是由風(fēng)荷載工況控制設(shè)計的。若風(fēng)荷載取值偏小,類似于前述恒載取值偏大的情況(恒-1.4風(fēng))組合效應(yīng)減小,會使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際變形和內(nèi)力大于計算值,原本構(gòu)件或板件應(yīng)出現(xiàn)較不利的受壓穩(wěn)定問題變成受拉強(qiáng)度問題。基本風(fēng)壓W0按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定值乘以1.05采用;當(dāng)按以上方法計算風(fēng)荷載時,橫向剛架兩側(cè)墻面風(fēng)壓體型系數(shù)的代數(shù)和不宜小于1.2(不論是否分區(qū)、是否封閉)。
5.1 體型系數(shù)取值
根據(jù)CECS102第A.0.2條規(guī)定,門式剛架若符合低矮房屋的特征,即:屋面坡度α≤10°、屋面平均高度≤18m、房屋高度比≤1、檐口高度≤房屋的最小水平尺寸時,應(yīng)按CECS102附錄表A的體型系數(shù)取用。
剛架計算未區(qū)分端區(qū)和中間區(qū)不同的體型系數(shù),圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算未區(qū)分邊緣帶、中間區(qū)及角部不同的體型系數(shù),均采用體型系數(shù)較小的中間區(qū),導(dǎo)致位于端區(qū)邊緣帶、角部構(gòu)件不安全。
5.2 風(fēng)荷載控制時,恒載取值偏大
門式剛架結(jié)構(gòu)自重一般較輕,單層屋面壓型鋼板及檁條自重僅為0.1~0.15kN/m2,而作用方向相反的屋面基本風(fēng)壓按荷載規(guī)范要求至少達(dá)0.3 kN/m2,故在(恒-1.4風(fēng))工況組合下其荷載效應(yīng)一般小于0,即構(gòu)件下翼緣產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于風(fēng)荷載參與組合下屋面構(gòu)件自重對結(jié)構(gòu)有利的,故恒載取值偏大較多時會使(恒-1.4風(fēng))組合效應(yīng)減少,下翼緣壓應(yīng)力減少,甚至使下翼緣出現(xiàn)拉應(yīng)力,掩蓋了檁條實際存在的下翼緣受壓穩(wěn)定問題。
6 結(jié)束語
目前,鋼結(jié)構(gòu)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件功能越來越全,智能化程度越來越高,比如PKPM-STS可以人工空間建模、自動平面計算,甚至可以做到根據(jù)輸入的原始參數(shù)自動選擇截面。因此,在輕型門式剛架設(shè)計將空間問題簡化為平面問題過程中,應(yīng)重視永久荷載、可變荷載、風(fēng)雪荷載及吊車荷載的取值大小、受荷面積及作用方向,同時應(yīng)正確理解規(guī)范和規(guī)程中關(guān)于荷載方面各條款的編制背景,以便在設(shè)計中正確應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
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[2] CECS 102:2002.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
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