某32t吊车门式刚架轻钢厂房的结构设计
作者：彭继芳
来源：《现代装饰·理论》2012年第07期
摘要：本文重点介绍了某管桩有限公司带32t吊车门式刚架轻钢厂房的刚架和吊车梁的设计，屋面和柱间支撑的设计，檩条及和墙梁的设计。
同时对本工程设计中几个主要问题的处理，也进行了较详细的讨论和介绍，可供同类工程设计时参考。
关键词：门式刚架；抗风柱；吊车梁隅撑；水平撑杆；拉条
一工程概况
某管桩公司生产车间位于河北，厂房长度为6×23=138m，宽度为24+21=45m，屋面坡度为8%，双屋脊，建筑面积为6400m2，其中：24m跨有32/5t桥式吊车一台，20t/5t桥式吊车二台， 21m跨有10t桥式吊车一台， 5t单梁桥式吊车一台（以上吊车工作级别均为A5），牛腿标高6.900，柱顶标高11.500，屋面为角驰Ⅱ暗扣式单层压型钢板+75厚吸音保温棉+不锈钢丝网，墙面为单层压型钢板。
本工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，屋面活荷载对于刚架构件，其受荷水平投影面积大于60m2，取为0.3 kN/m2，雪荷载为0.45 kN/m2，故取较大值为0.45
kN/m2；屋面活荷载对于檁条，屋面板等局部构件取值则为0.5kN/m2；基本风压为0.45
kN/m2，地面粗糙度类别为B类；抗震设防烈度为6度。
刚架构件材质采用Q345B；吊车梁因其工作较频繁，需要进行疲劳验算，而最低日平均温度为-6℃，要求所选钢材应具有0℃冲击韧性的合格保证，故吊车梁材质采用Q345C，其它檩条，墙梁，支撑材质采用Q235B。
计算软件采用PKPM的STS软件。
二刚架和吊车梁的设计
考虑制作安装简便，刚架柱，梁均采用实腹式焊接H型钢，门式刚架用STS软件进行分析计算时，对屋面活荷载考虑其各跨的不利布置，对吊车的竖向及水平荷载，当参于组合的吊车台数为2台时，对其进行折减，折减系数取为0.9。
由于桥式吊车起重量为32t，已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（下称轻钢规范）的适用范围，故刚架柱采用《钢结构设计规范》（下称钢结构规范）验算，由于吊车梁可作为柱子的侧向支承点，故下柱平面外计算长度取为7.5m即基础面至牛腿面的长度，上柱平面外计算长度取为4.6，即牛腿面至柱顶的长度；而对于屋面变截面梁，由于钢结构规范只能用等效截面来验算，会存在一定误差，所以屋面变截面梁的强度和稳定仍按轻钢规范来验算，其平面外计算长度取为两屋面隅撑之间的距离，对于屋面变截面梁的挠度则按钢结构规范从严控制。
对门式刚架进行人工干预的优化调整后，单榀刚架采用的截面见图1，经计算，刚架柱的强度、稳定、长细比及翼缘的宽厚比均满足钢结构规范的规定要求；腹板的高厚比虽超过限值，但根据钢结构规范5.4.6条规定，按腹板计算高度边缘范围内两侧各20tw（235/fy）0.5的有效截面计算，其强度、稳定仍满足规范要求，故腹板不采取纵向加劲肋加强，另根据钢结构规范8.4.2条规定，h0/tw＞80（235/fy）0.5，腹板采取横向加劲肋加强，间距＜2m。
对于屋面变截面梁，由于腹板高度变化率为150/8.15=18.4mm/m≤60mm/m，腹板的受剪板幅考虑屈曲后强度利用，屋面变截面梁按压弯构件计算的强度、稳定及翼缘的宽厚比均满足轻钢规范的规定要求。
对于刚架构件的变形，24m跨屋面梁在恒载标准值+活载标准值作用下，其挠度
VT=71mm＜[VT]=24000/250=96mm；21m跨屋面梁在恒载标准值+活载标准值作用下，其挠度VT=53mm＜[VT]=21000/250=84mm；在风荷载标准值作用下，刚架柱顶最大水平位移
δ=12.7mm＜[δ]=（11500+600）/400=30mm；故结构构件的变形均满足钢结构规范的规定要求。
钢柱柱脚采用双腹壁靴梁式整体柱脚，靴梁高400mm，柱身底端（包括靴板和肋板）铣平支承于底板并用双面角焊缝连接，柱翼缘与底板采用部分熔透焊缝，熔深不小于t/3，双面贴角焊缝厚度为10mm。
刚架构件采用摩擦型高强度螺栓连接，其翼缘与端板采用全熔透对接焊缝，焊缝质量等级为二级；腹板与端板则采用双面角焊缝，按照二级焊缝标准做外观检查。
抗风柱截面为H400X240X6/10，按上下两端铰接的压弯构件计算，在山墙面设置2道隅撑作为其侧向支承点，上端与屋面梁下翼缘用弹簧板连接，连接节点见图2，考虑到屋面梁翼缘和腹板均较薄，侧向刚度很差，容易扭转失稳，故调整檩条的布置，使距抗风柱轴线位置100处有一檩条并设置隅撑，通过该隅撑把抗风柱上端的集中风荷载直接而有效地传到屋面梁上翼缘处，然后再传到端部横向水平支撑。
吊车梁不设制动结构，其中：32t吊车梁采用H900×（380/250）×10×（16/10），10t吊车梁采用H700×（280/200）×8×（12/8），翼缘与腹板间的连接焊缝采用双面角焊缝，按照二级焊缝标准做外观检查，在腹板两侧每隔1m设一道横向加劲肋，其上端与梁上翼缘刨平顶紧。
吊车梁通过突缘式支座支承于钢牛腿上，其上翼缘与钢柱的侧向连接见图3，设置此吊车梁隅撑既能克服柱子在吊车的纵向水平力作用下的扭转，减少吊车梁在吊车行驶过程中的晃动，又能使吊车梁更符合纵向系杆的受力条件。
三屋面和柱间支撑的设计
由于24m跨间设有32t吊车，考虑到吊车吨位较大，房屋在吊车运行时容易出现扭转和晃动，为了加强房屋的整体刚度，24m跨间的屋面除设置角钢的横向水平支撑外，同时在屋盖边缘两侧设置角钢的纵向水平支撑，以形成一封闭的支撑体系；21m跨间仅设有10t和5t吊车各一台，故在其屋面仅设置张紧圆钢的横向水平支撑，不设置纵向水平支撑。
屋面及柱间支撑布置见图4。
屋面支撑体系的内力计算按以下2点考虑：1.山墙面传来的风荷载考虑仅由两端支撑桁架承受；2.屋面交叉支撑仅考虑一根杆件受拉，另一杆件则退出工作。
24m跨间的纵横向水平支撑截面的选用主要由受拉构件的长细比[λ]=400控制，采用单角钢L63×5；21m跨间的圆钢的横向水平支撑则只验算其强度即可，采用圆钢φ20；刚性系杆则按两端铰接的轴压杆件
计算，除验算强度、稳定性外，还需验算其长细比不超出受压构件的容许长细比
[λ]=200，经计算，除D轴线位置通长系杆采用焊接圆管φ127×3，其余位置系杆均采用焊接圆管φ102×3，在屋脊处考虑所受轴力较小，由双檩条兼作通长刚性系杆。
柱间支撑体系的内力计算按以下2点考虑：1.对于上柱柱间支撑，山墙面传来的风荷载考虑仅由两端交叉支撑承受。
而对于下柱柱间支撑，风荷载、吊车纵向水平力则由2道柱间支撑均匀分布承担；2柱间交叉支撑仅考虑一根杆件受拉，另一杆件则退出工作。
上柱柱间支撑截面的选用主要由受拉构件的长细比[λ]=400控制，同时考虑最小构造截面要求，采用单角钢
L75×6；下柱柱间支撑截面采用角钢2L75×6的双片支撑，双片支撑之间设角钢L56×5的斜缀条；吊车梁兼作通长刚性系杆，在设下柱柱间支撑的开间，考虑柱有伸出牛腿，而吊车梁又无制动结构，纵向水平力将通过吊车梁传至下柱柱间支撑，两者存在较大偏心，将引起此开间柱子的扭转，故在此柱子开间牛腿标高处设置水平撑杆作为柱间支撑体系的组成部分，此水平撑杆按受压杆件控制其长细比不超出容许值[λ]=200，采用2L125×70×7的双片撑杆，长肢向下，双片撑杆之间设角钢L56×5的斜缀条。
四檩条和墙梁的设计
考虑柱距较小，为安装简便起见，檩条采用冷弯C型钢，按单跨简支构件设计，截面为C160×70×20×2.3；在跨中位置设置一道圆钢φ12的拉条；在每个跨间距檐口位置最近的两檩条间设置圆钢φ12的斜拉条，同时在此檩条间设置的直拉条外套φ33.5X2.5的圆管作为刚性撑杆；屋脊位置处的两檩条间设置的直拉条也外套φ33.5X2.5的圆管作为檩条的侧向支撑，使其符合刚性系杆的条件，拉条设置见图5。
由于屋面采用的是暗扣式的压型钢板，其对檩条上翼缘约束很弱，不能阻止檩条上翼缘的侧向失稳，同时在风吸力作用下，檩条下翼缘受压，将产生侧向弯扭失稳，故在靠近檩条上、下翼缘处均设置此拉条系统。
考虑各墙面均有较大条形窗，需较平整的窗洞，墙梁也采用冷弯C型钢，按单跨简支构件设计，纵向墙面6m柱距的墙梁截面为C160×70×20×2.3，在跨中位置设置一道圆钢φ12的拉条，山墙面7m、8m柱距的墙梁截面分别为C200X70X20X2.0、C200X70X20X2.5，在跨间三分点处各设置一道圆钢φ12的拉条，斜拉条及刚性撑杆做法同檩条，拉条设置见图6，由于窗口位置处的墙板自重必须由墙梁来承受，会使墙梁发生下挠，同时在风吸力作用下，墙梁内翼缘受压，经计算其受压稳定性不能满足要求，故同檩条一样，在靠近墙梁内、外翼缘处均设置此拉条系统。
五结束语
本工程桥式吊车起重量32t，已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（下称轻钢规范）的适用范围，对于变截面屋面梁，其力学计算特征符合轻钢规范，仍按轻钢规范进行设计，同时对檩条和墙梁等围护系统也按轻钢规范进行设计，但对于钢柱则应按《钢结构设计规范》（下称钢结构规范）的要求设计，对于刚架的变形也按钢结构规范作了控制。
屋面和柱间支撑作一定的加强，并按钢结构规范的要求设计。
参考文献：
[1] 门式刚架轻型钢结构技术规程 CECS102：2002.
[2] 钢结构设计规范 GB50017-2003.
[3] 魏潮文，弓晓芸，陈友泉轻型房屋钢结构应用技术手册中国建筑工业出版社2004.。