建 筑 科 学
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科技创业家 TECHNOLOGICAL PIONEERS 最近十几年高层钢结构房屋在我国得到了快速的发展,在激烈的市场竞争中,业主通常要求既要保证钢结构厂房的结构安全和使用功能,又对项目的质量、工期及造价提出了更高的要求。
作为一位钢结构厂房的设计人员,需要熟练掌握钢结构的设计过程及要点。
本文以某工程钢结构工业厂房设计为例,对设计要点进行了总结,希望能够给予该领域的设计人员提供借鉴。
1 工程概况
项目内容为高层钢结构工业厂房,总高度30m,共5层,每层6m,厂房占地面积49*14米,每层均为10跨,厂房内部结构空旷没有维护墙体,局部楼层无铺板为全房间洞口;二层楼面上设置了2套压力容器,荷载为2500～4600kN,设备体型高大,贯穿三层楼面;其它楼层内设置许多中小型设备,以管道相互连接;因整个厂房内管道和设备数量众多,楼面需预留孔洞很多,给楼层平面布置带来一定困难;该厂房柱子全部运用焊接H 型钢制作,且柱子竖向荷载最大可达3100kN,载荷较大;框架梁和次梁大部分选用轧制H 型钢,仅二层支撑压力容器的几根框架梁选用焊接H 型钢制作;楼面选用8mm 厚花纹钢板铺成,其活动荷载约为5kPa;在设计中还需考虑堆载及检修设备的需要。
2 设计时需要注意的问题
2.1厂房结构的选择
本设计本设计采用支撑和钢架的混合体系,横向为钢连接框架式体系,纵向为支撑和钢架混合型式,靠两者的相互作用共同抵消水平力,这种混合体系可以有效地降低柱的纵向弯矩,但却要求楼面的刚度较大,否则就会使柱子相互间的变形量不协调,不能完全发挥出柱子支撑的功能。
同时以8mm 厚的花纹钢板替代了钢筋混凝土楼面,在厂房各层内均按需设置了横向及纵向的水平支撑,以增加楼层的刚度。
2.2大型压力容器的布置
厂房内的大型压力容器的布置决定着柱网的布置,也限制了支承梁翼缘的宽度。
因大型设备重心高、荷载大,而支撑点位于二层楼面且接近设备底部,地震时产生的倾覆力矩很大,非常不利于支承梁的受力,因此在设备外围设置四根柱子,并使柱子和支承梁直接连接成框架梁,使其中心线和设备的中心线重合,这样设计可以直接地传力,利于竖向荷载的传递;把设备的固定螺栓设置在梁腹板的外侧,利于支承梁
抵抗扭矩;为了保证预留洞的尺寸,支承梁翼缘也要保证合理宽度;在计算机输入设备荷载时,还要考虑地震产生的倾覆力矩;还要全面考虑其它中小型设备对结构布置的影响。
所以,在设计开始阶段要密切配合各专业工艺设备,必要时适当调整工艺专业设备的位置,确定好柱网以满足结构布置的要求[1]。
2.3次梁设计的要点
为了避免板挠度过大让人出现不安全感而影响正常使用,在进行楼层平面梁格布置设计时,需要同时考虑设备情况及铺板的最大支承长度。
在进行铺板与梁的相互作用分析时,钢板和梁的连接良好,就认为相互形成有效支撑,无需对梁整体稳定性进行计算。
如钢板和梁只是在四周进行焊接,中间没有进行焊接,只能按跨中无侧向支撑的情况来计算梁平面外稳定性。
次梁虽然载荷较小,也宜采用轧制H 型钢,而不应采用平面外稳定性较差的普通槽钢。
2.4钢结构内力分析的要点
在工程设计领域,计算机越来越被广泛应用,施工图绘制的工作量得到大幅降低,计算机的这些优点,促使设计人员的大部分精力能够放到受力分析和制定方案中去,使设计出的构件更加经济合理,对方案设计应力分析的准确性上得到了提高。
在对钢结构厂房进行设计时,可使用STS 等专业软件,结合PMPK 等系列软件中SATWE 和TAT,建立结构数模,再给数模进行载荷加载,进行空间的受力分析及杆件的截面验算。
构件受力分析时要注意几点:由于工业厂房构件的梁格布置较复杂,如使用分析软件时,建立的模型完全依据实际的情况,就会生成许多的近节点,造成分析的结果存有偏差,因此,在实际建模时,要对数模进行相应的简化,但不可与实际情况出现较大偏差,否则计算就无意义了;采用柱间支撑来简化立面网格,把它当做受力杆件输入到结构模型里,因支撑的刚度影响着厂房纵向抗侧移刚度,而柱间支撑也会对两侧柱脚产生不利作用,在复杂的荷载作用下,柱脚锚栓会产生上拔力,这些柱脚剪力也会增加很多;确定柱间支撑杆件模型,厂房柱间的支撑形式大多都是剪刀撑,根据需要可设计为压杆或拉杆。
若将柱间的支撑形式设计成压杆式,则可利用计算机程序直接验算结果,若按拉杆式进行设计时,计算机程序会提示强度验算不足,这主要是由于支撑无法被程序处理为单拉杆所致,但结构空间的受力分析结果是不会受到影响的,作为设计者,应用笔算的方
法,通过杆件的拉力来验算杆件的强度;确定弹性楼板模型,TAT 与SATWE 程序的算法比较先进,可不考虑楼层约束作用,采用弹性节点的处理方法,由于本工程的设计中,因楼层内设置水平支撑,可假设楼层水平刚度无限大,由程序计算结果可知二者差别不大,可以验证楼层内水平支撑可协调柱子的变形[2]。
2.5节点的设计要点
要本着安全可靠,经济可行的原则进行节点的设计。
框架和柱的连接节点是厂房中最重要的节点,节点的安全性可从强度和延性两个方面来衡量。
本设计中采用刚性连接与柔性连接。
刚性连接节点选用全焊接连接和栓焊混合连接,全焊接连接节点的梁翼缘和腹板全部焊接在柱子上,通常翼缘采用开剖口的熔透焊缝连接,腹板采用熔透焊缝或角焊缝连接,该种节点具有强度高、成本低及节省材料的特点,缺点焊接量大,高空作业多;栓焊混合连接节点的翼缘运用熔透焊缝连接,腹板使用高强螺栓连接,该种节点和全焊接节点的特点相似,缺点是前期工作量大,造价较高。
柔性连接可传递剪力、轴力及较小的弯矩,可看成是铰接,具有很好地延性,在地震作用下的变形能力强,不会出现脆性破坏。
2.6采用轧制H 型钢的注意事项
采用轧制H 型钢能加快施工进度,极大低减少构件制作的工作量,但在使用时必须注意其不利影响。
目前国内工业厂房的柱子通常不采用H 型钢板件,由于其轧制的厚度较薄。
工业厂房柱子的轴力较大,通常需要腹板和翼缘较厚的钢板,但截面尺寸又不能过大。
由于轧制H 型钢采用全截面拼接,带有不安全因素,如果都采用定尺型钢,势必会降低材料利用率,影响工期,同时还要控制拼接位置。
3 结语
本工程的造价虽略高于钢筋混凝土结构方案,但施工周期短、施工便利,同时钢结构建筑绿色环保,属于可回收利用产品,隐性经济效益可观。
所以在未来的工业厂房设计中,钢结构工业厂房具有广阔发展前景。
参考文献
[1]GB50009-2001,建筑结构荷载规范[S].[2]李懿,浅析轻钢厂房结构设计要点[J].
山西建筑,2006,32(17):54-55.
某钢结构工业厂房的设计实例
康乐
(沈阳建伟钢结构工程有限公司 辽宁沈阳 110014)
摘 要:本文以某工程钢结构工业厂房设计为例,对设计要点进行了总结,希望能够给予该领域的设计人员提供借鉴。
关键词:钢框架 钢结构工业厂房
作者简介:康乐,1979.6,男,汉,辽宁省沈阳市,大学本科,机械工程师,钢结构设计。