浅论溪洛渡机电仓库门式刚架钢结构设计

2014-03-20陈光明

水电站设计 2014年1期

陈光明，杨科

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

门式刚架轻型钢结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。该类建筑是用等截面或变截面焊接H型钢作为梁柱构件，现场用螺栓或焊接拼装形成门式刚架作为主要承重结构，以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱，以彩钢板作为屋面板及墙板，再配以支撑系统、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系，即门式刚架轻型结构体系。这种结构体系可以在工厂批量生产，在现场按要求拼装形成。能有效的利用材料，构件截面小、自重轻、抗震性能好，施工安装方便，建设周期短。能够形成大空间、大跨度，具有外表美观、适应性强、造价低、易维护等特点。

本文以溪洛渡水电站机电仓库为例，从设计角度对轻型门式刚架结构的设计过程及要点进行阐述，分析总结了单层门式刚架厂房的一些设计经验和注意事项,并提出自己的看法，希望能供同行们在处理类似问题时参考。

2 工程概况

溪洛渡水电站机电仓库，位于溪洛渡电站右岸，其结构长度168m、宽72m，柱距6m、柱高10.5m，单跨24m，三连跨双坡屋面，坡度1∶20;仓库内每跨布置1台16T的桥式起重机，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，第一组，合理使用年限为50年。

3 结构方案布置

3.1 柱网和轴线布置

柱网布置与投资费用直接关系，若合理布置柱网，将会获得较好的经济效益。根据已有的工程实例，随着柱距的增大，刚架用钢量比例是逐步下降的；但当柱距增大到一定的数值后，刚架用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓。而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量随着柱距的增大先下降而后上升。一般情况下，最佳柱距是6～9m，如果柱距大于9m，屋面檩条和墙架体系的用钢量将明显增多，从而加大成本。考虑到本工程有较大的吊车荷载，因此，在设计时取用较小的经济柱距为6m。工程平面布置见图1。

3.2 刚架的形式和受力特点

刚架的梁、柱截面有实腹式与格构式、变截面与等截面之分。梁跨度较大时，宜在梁柱节点和弯矩较大处加腋，加腋长度一般为跨度的1/8～1/10较为经济。一般情况下，梁、柱采用变截面形式，但本工程仓库内布置有吊车，柱则采用实腹式等截面工字型，梁采用变截面，如图2所示。

按照CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定，设计中可采用三铰门式刚架、两铰门式刚架和无铰门式刚架，各具特点。三铰刚架即柱脚、屋脊均为铰接，刚度较差，结构内力大，变形及不均匀沉降均不产生附加内力，适用于小跨度和基础性能差的工程建筑；两铰刚架即柱脚与基础铰接，结构内力大于无铰刚架，但基础不承受弯矩，设计、施工简单，柱脚不均匀沉降会产生附加内力；无铰刚架即柱脚与基础固接，三次超静定结构，刚度好，内力分布均匀，柱底有弯矩，对地基与基础要求高，地基不均匀沉降会产生附加内力。门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓；当用于工业厂房且有5t 以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。因本工程中布置了16T桥式吊车，且地质条件较好，故柱脚按刚接设计。

图1 柱网平面布置示意

图2 刚架的梁、柱截面布置示意

4 计算模型与内力分析

4.1 计算模型

对于大多数厂房而言，由于其长宽比较大，结构最不利方向比较明显，且横向主刚架采用刚接，纵向采用刚性系杆等构件铰接连接，通过设置支撑来形成几何不变体系，所以多采用二维平面结构计算模型进行分析；而对于一些长宽比较小的厂房，如果纵向采用支撑桁架来连接，刚架两个方向刚度相差不大，此时结构形式已接近框架结构，则应采用空间结构计算模型进行分析计算。本工程长宽比达到了2.3，且纵向连接较弱，故采用二维平面结构计算模型，整个计算通过中国建筑科学研究院研发的PKPM软件STS模块完成，计算模型如图3所示。

4.2 永久荷载

永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等；还包括悬挂的附加永久物体重量，如喷淋系统、机械设备、通风管道等。设计时需充分分析考虑而不可遗漏。

图3 二维平面结构计算模型

4.3 可变荷载

4.3.1 屋面活荷载

按照CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，当采用压型钢板的轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2(如檩条等构件的设计)，但对受荷水平投影面积大于60m2的主刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3 kN/m2。本工程活荷载取0.3 kN/m2。

4.3.2 风荷载

按照《民用建筑工程设计技术措施(结构)》(2003版)，对于跨高比L/h小于等于4的门式刚架应按GB50009-2001《建筑结构荷载规范》计算风荷载标准值WK及风荷载体形系数μs，不考虑风振系数βz，但当跨高比L/h大于4 的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值WK宜按CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》取用。本工程跨高比为2.28，小于4，故按荷载规范的公式：WK=βzμsμzWo，在确定本工程基本风压Wo时，考虑到工程所在地的基本风压值在GB50009-2001《建筑结构荷载规范》全国基本风压图上没有给出，于是根据当地年最大风速25m/s，并依据《建筑结构荷载规范》条文解释7.1.2中公式Wo=Vo2/1 600计算;得到Wo=0.4kN/m2。与荷载规范中雷波的基本风压为0.3 kN/m2(n=50年)比较,再考虑建筑物地处河谷地段，风速较大，确定根据计算取基本风压0.4 kN/m2。

4.4 地震作用

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第3.2.5条，风荷载不与地震作用同时考虑。由于单层门式刚架质量较轻，地震反应较小，在不大于7度区的地方，厂房的整体计算通常由风、雪、活荷载控制，因此在这些地方，一般不需作刚架的抗震验算,但本工程抗震设防烈度为8度，地震却是控制因素，风荷载与地震荷载引起的节点位移比较见图4、5所示。

4.5 变形验算

相对于强度验算，单层门式刚架厂房的变形验算往往容易忽视。刚架的变形验算时应注意,钢结构构件可不考虑螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面计算。刚架的变形验算主要包括刚架柱顶位移和刚架梁的挠度验算两个方面，具体要求见表 1。本工程控制性工况变形验算结果如图5、6所示。其柱顶最大位移25.3mm，梁最大扰度92.8mm,均满足规范要求。

表1 刚架变形验算的具体要求

注：表中h为刚架柱高度，L为刚架梁的跨度。

图4 左风(标准值)节点位移(mm)

图5 左地震作用节点位移(标准值)(mm)

图6 钢梁绝对挠度(恒+活)(mm)

5 支撑体系的布置

本工程长度达到了168m，属于温度区段较长型，且布置有吊车，按照CECS102：2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中支撑布置原则，通过设置横向支撑和柱间支撑将整个结构划分为三个区段，每个区段的长度大约在48～54m之间，端部支撑设在第二个开间，在第一个开间的相应位置设置刚性系杆，以使风荷载得到传递，在设置柱间支撑的开间,同时设置屋盖横向支撑,以构成几何不变体系。

本工程高度达到了10.5m，属于房屋高度较高型,故柱间支撑分层设置，且分层位置与牛腿位置相结合。本工程房屋宽度达到了72 m ,整体刚度较弱，在设计时考虑在内柱列也设置支撑。同时为加强房屋支撑体系的整体性能，在刚架的转折处、边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶均沿房屋全长设置刚性系杆。本工程的刚性系杆均采用组合角钢，支撑则采用型钢，以提高房屋的整体抗震性；支撑的设置角度控制在30°～60°范围内，接近45°。

6 梁柱节点设计

门式刚架梁柱节点通常作为刚接节点进行计算和设计，梁柱连接和拼接节点采用高强螺栓的端板连接节点，实践证明，端板连接是最为经济的连接形式，比通常的腹板-翼缘拼接节省材料和紧固件，且现场拼接连接方便。端板的放置方式通常有3种形式：竖放、平放和斜放。本工程采用端板竖放的形式，保证端板的连接螺栓大多分布于翼缘的两侧，既能充分利用螺栓的承载能力，又能减少螺栓的用量。在节点区域还设置了抗剪加劲肋，以减小节点的剪切变形，起到增大节点刚度的作用。

7 檩条设计

檩条采用冷弯薄壁型钢, 由于其自由扭转刚度小, 而且大多数截面剪心与形心不重合, 构件中会存在弯曲与扭转的共同作用，弯扭屈曲是其常见的破坏形式, 必须在设计中予以防止。除了采用更好的截面形式双轴对称、闭合构件外, 常见的构造措施还有增加支座和跨中处的侧向支承。根据计算，本工程檩条采用C160×60×2×2.5,檩条间距1.5m，为方便连接，檩条按简支构件设计；为防止构件扭转变形，构造上设檩托、加劲肋、撑杆、隅撑等。另外, 笔者认为在计算檩条时，风荷载标准值Wk按CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定计算更能符合实际；为避免造成施工中的不便，本工程未采用双层拉条，而是采用通过验算檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时的稳定。