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门式刚架结构厂房结构的优化设计

2021-12-05宋慧斌山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司

门窗 2021年1期
关键词:厂房间距构件

宋慧斌 山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司

1 前言

门式刚架结构在厂房建设中的应用,可提高厂房建设的速度,并可保证厂房结构的稳定性和可靠性。目前,门式刚架一般采用的是新型环保材料,质量更轻,并且是工厂化生产,将刚架运输至施工现场直接进行组装,施工速度快,与传统施工建设相比,刚架组装更加的方便快捷,并且组装后的厂房兼具美观和实用性,进一步扩展了刚架结构的应用范围,除了在厂房结构设计中的应用,还可用于市场、库房,以及民用建筑等设计中。

2 门式刚架结构厂房结构设计要求

第一,门式刚架在用于厂房结构设计时,有一个非常明显的劣势,主要是其构件的强度不够,弯折性不好,进而导致整个结构的刚性不够,因此,需要在施工和运输环节多加注意,尽量避免构件变形问题的出现。

第二,门式刚架在设计阶段,要从整体布局入手,进行统一的规划和设计,对门式刚架安装过程中的各个构成要素进行有序对接,尤其是墙体与屋顶之间,以及各个面板之间的对接,其决定着整个结构的牢固程度。

第三,由于门式刚架结构是由众多的构件组成,这些构件多数使用的是轻质材料制作,在安装和运输中容易出现破损,需在这两个环节做好防护措施。

第四,门式刚架结构主体使用的是钢材料,在用于厂房结构设计时,需要考虑到防腐措施,避免刚架锈蚀,降低刚架结构的荷载能力。

第五,在设计中需慎重考虑塑性设计问题,如果刚架梁柱使用的是变截面杆件,梁柱腹板的强度,在设计中要采用使用后的屈曲强度,也就不能使用塑性设计。

第六,在设计中要考虑特殊情况下,屋面荷载问题,刚架结构的屋面使用的是轻型面板,当风力过大,这些轻型面板荷载过大,极易被损坏。

3 结构形式

门式刚架结构包括了单跨、双跨、多跨等多种类型,也可通过坡脊数进行区分,像单脊单坡、多脊多坡,屋面的坡度一般需控制在1/20~1/8。其中单脊双坡多跨刚架在厂房结构中应用较多,其支柱设计较少,可保证内部空间的最大化。在负荷标准较低,且柱高有一定要求的情况下,应以材料集中安装作为设计的标准,中柱可采用摇摆柱的设计方式,对其两端进行铰接。

在门式刚架结构中,柱脚通常采取铰接处理,如果厂房建设后,需要使用桥式吊车,那么在柱脚设计中,则需采用刚接处理,在吊车选择时,要考虑刚架结构可承受的负荷,建议使用重量小于20t的桥式吊车,或者是小于3t的悬挂吊车。

4 结构尺寸设计优化

4.1 刚架结构尺寸设计

在刚架结构柱宽度不一致的情况下,需与外侧保持一致,柱的高度要结合刚架内部的实际情况,进行适当的调整,需控制在5m~9m 之间。跨度最大为35m,最小为10m。另外,刚架间距在设计中,需要根据跨度和负荷进行设置,可选择的距离有6m、7m、9m。纵横向的温度区段不可超过300m和150m,有特殊设计要求的需依据实际情况,可进行合理的调整。

4.2 檩条和墙梁设计

檩条间距在设计中要从天窗尺寸、刚度、采光等多个方面进行慎重考虑,在业主方没有要求时,一般使用的是等间距设计,屋脊两侧、天沟位置各设一道檩条。侧墙梁在设计中,需从整体功能上出发,并且要考虑到门窗和雨搭的设计要求。

4.3 支撑与系杆设计

第一,温度区段在设计中,要保持其相对的独立性,以确保其具有稳定的空间结构。

第二,支撑开间屋盖需具有几何稳定性,应采取横向支撑。

第三,端部各个支撑的间距一般为30m~45m之间,一般设计在温度区段,厂房有吊车要求的情况下,间距可增加至60m,并且要考虑结构的纵向受力数据。第四,第二个开间设计支撑的情况下,第一个开间与之对应的位置,需要使用刚性系杆。

第五,刚架转弯位置,应采用刚性系杆巩固刚架结构,系杆的长度要根据厂房的长度进行设计。

第六,刚性系杆可以使用其他材料进行替换,以达到稳定刚架结构的目的,如果檩条刚性较好,就可进行替换,当檩条不符合的情况下,可采用H型钢替代,进而提高整个结构的负荷能力和稳定性。

第七,如果厂房需要使用大于5t的吊车,必须要使用型钢做支撑,如若业主要求不用柱间支撑,可应用纵向刚架做支撑。

5 门式刚架设计优化

5.1 荷载与其组合

5.1.1 荷载类型

荷载可分为永久荷载和可变荷载,永久荷载是指不发生变化的荷载,也就是刚架以及刚架上各种材料、各种构件的重量总和,像屋面重量、梁柱、支撑、刚架本身的重量等。可变荷载,也就是指随时变化的荷载,比对,刚架结构上的灰尘,屋面受到大风、下雨、下雪的影响,以及厂房中使用了吊车等,这些都会导致荷载发生一定的变化。

5.1.2 荷载组合

遵循GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的要求,对荷载组合进行设计。

第一,在计算屋面受到的荷载力时,要使用最大荷载值,不可使用均匀荷载,由于积灰荷载值过小,设计中无需考虑。

第二,在施工、维修荷载设计时,不用纳入刚架自身的荷载。

第三,如果厂房在建设后,需要使用多台吊车,应完全遵循规范的要求进行设计。

第四,其他荷载,像地震、风力、雪雨等,这些都会对屋面有一定的荷载作用,需要分别考虑。

5.2 梁柱设计

第一,检测梁柱承受力的最大值,并明确其厚宽比例;第二,支撑体系,梁腹板需要安装在支柱中间,应准确计算出梁腹板两侧的横向受力;第三,要确定梁柱安装后,在整个结构中的稳定程度;第四,变截面柱具有支撑的作用,需对其支撑的可靠性进行检测。

5.3 附属结构

5.3.1 压型钢板

第一,在选择钢板时,首先需要结合厂房的实际功能、使用年限要求,以及建设后的用途等,进行压型钢板的选择,以保证厂房在使用年限内,无任何问题。

第二,截面的选择,其有高、中、低三种波板,其中高波板的刚度最大,负荷能力也是最好的。

第三,强度与扰度,在实际的计算中,需使用单槽口的有效截面,依据受弯构件进行计算。

第四,需要考虑到业主对设计的特殊要求,进行钢板型号的选择。

5.3.2 檩条

第一,檩条截面可分为实腹式、格构式两种,当刚架跨度对檩条的要求在8m以内时,建议选择实腹式;第二,设计人员如果应用的是双向受弯结构,在檩条受力分析中,要使用檩条上的两个轴心进行计算,确定其截面的弯矩受力;第三,在檩条安装之前对其进行严格的质量检测,主要包括了刚度、稳定性、形变等,以保证檩条质量符合厂房结构组装的要求。

5.3.3 墙梁

墙梁的设计较为灵活,依据柱距进行确定,可使用一个简支梁,也可使用连续梁。由于墙梁双向受弯,会受到风力、自身重量,以及承载构件等的影响,材料建议使用z 形钢。以及墙面边界的位置,必须要安装一道墙梁。针对墙梁的挠度与荷载问题应设计拉条,以减少两个作用力对墙梁的影响,通常设计在墙梁上,或者是最上层墙梁位置,设计一道斜拉条,将两个作用力传递给刚架柱。

5.3.4 支撑

刚架结构的柱间一般使用的是安拉杆设计,以作为柱间的支撑。斜梁水平支撑力计算需要考虑到两个参数,一个是横向风力,另一个是水平桁架,并且要注意斜梁负荷的考量,以确定准确的水平支撑力。柱间支撑力计算时,需要考虑纵向风力和悬臂桁架,并要减去压杆交叉支撑的承受力。

6 柱间距的优化设计

柱布置是刚架结构设计中的难点和重点,需依据厂房的设计要求,科学合理的布置柱间距平面图。在以往的设计中,一般将柱间距设置在6m左右,并可依据业主对厂房设计的实际要求,将柱距增加至9m,或者是其他间距,使用的是设定值的设计方式,遵循普通厂房的结构设计内容。但是这种设计方式,已经不适用现阶段门式刚架结构的设计需求,由于柱间距设计与厂房建设成本有着直接的关系,应从控制费用的角度出发,进行柱间距的优化设计。

第一,刚架成本,刚架的质量和用量决定着成本,呈现的是正比关系,在保证刚架质量的基础上,用钢量是成本控制的关键性指标,柱间距也是柱密度的体现,密度越大,则用钢量也就越多。

第二,在刚架结构设计中应用节能、环保型等高科技面板材料,替代原先的钢筋混凝土面板,是对原有刚架结构的升级和改进,轻型刚架结构材料的应用,可直接减少柱的数量,柱间距增加,成本直接被降低。

第三,柱间距的用钢成本,还与钢的市场价格、产品规格、制造技术等有关,如果使用标准化钢材,那么需要较大的成本费用。因此,在柱间距设计中,要抓好柱间距的各项参数,计算出不同柱间距模式的成本,以成本最小化为原则,在保证刚架结构质量的基础上,设计出理想的柱间距布置方案。

7 结束语

基于以上的论述,在门式刚架设计优化中,需要注意结构优化设计要从整体性上出发,每个构件都会影响到整个刚架的稳定性,综合考虑刚架结构纵向和横向上的受力,合理设计刚架结构的尺寸、形式、附属结构等,精确计算各个构件的荷载力,并妥善的进行细节处理,构建一个稳定、可靠的空间结构,进而打造出一个高质量的厂房工程。

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