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輕鋼結構廠(chǎng)房設計施工中某些問(wèn)題的探討

作者：王 希 春    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
通過(guò)工程實(shí)例，詳細探討了一般輕鋼結構廠(chǎng)房的結構分析、節點(diǎn)設計、支撐體系、剛架柱腳及檁條設計、制造、安裝方法，表明輕鋼結構在工業(yè)廠(chǎng)房中的應用有其優(yōu)越性。

    關(guān)鍵詞：輕鋼結構 結構設計 施工

    1.工程概況及結構布置
    沈陽(yáng)遠大鋁業(yè)有限公司國際鋁業(yè)加工中心廠(chǎng)房工程，總建筑面積為17920?,長(cháng)280m，寬64m,為兩跨對稱(chēng)門(mén)式剛架輕鋼結構，每跨跨度為32m,柱距為7.5m,有兩臺3t輕型工作制電動(dòng)單梁吊車(chē)。剛架及邊柱采用焊接變高度H型截面，剛架中柱采用等高度H型截面，剛架梁及剛架梁柱間均采用高強度螺栓連接。
    由于門(mén)式剛架輕鋼結構不設伸縮縫的要求為：縱向溫度區段長(cháng)度不大于300m,橫向溫度區段不大于150m,因此本工程無(wú)須設置伸縮縫。屋面采用輕質(zhì)材料如壓型鋼板、夾芯板等代替傳統笨重的預制鋼筋混凝土屋面板，并采用輕型墻體材料使結構輕型化。
    1.鋼結構分析
    取圖1剛架計算。

    1.1計算參數
    恒載（考慮雙層彩板和檁條）取2.0kN/m,活載取活荷載與雪荷載的較大值3.7kN/m,風(fēng)載按基本風(fēng)壓及荷載規范的體型系數取用，計算吊車(chē)荷載效應時(shí)考慮吊車(chē)輪壓的最不利位置，彈性模量E=206×10 MPa，泊松系數 =0.3.剛架鋼材為Q345，采用摩擦型高強度10.9級螺栓。
    1.2計算方法
    計算使用中國建筑科學(xué)研究院編制的鋼結構軟件STS。
    1.3計算控制因素
    1）變形限制
    輕型鋼結構門(mén)式剛架，當采用輕型墻板作為圍護結構時(shí)，柱頂的水平位移與柱高的比值；設有由地面操縱的吊車(chē)時(shí)柱頂位移限值為1/180.僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的門(mén)式剛架斜梁容許撓度為L(cháng)/180（L為受彎構件的跨度）
    2）截面參數控制
    門(mén)式剛架梁的最小高度與其跨度之比，對實(shí)腹梁可取為1/30-1/45.《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》（CECS102:2002）規定：工字型截面構件受壓翼緣板自由外伸寬度b與

    1.4 計算及結果
    按上述計算參數及控制因素初選截面代入程序計算，并對構件進(jìn)行截面驗算，驗算時(shí)應注意計算長(cháng)度的取值。剛架平面內柱計算長(cháng)度系數應根據剛架柱與基礎的連接方式及截面形式按“規程”（CECS102:2002）相應的表格取用；在剛架平面外，實(shí)腹式剛架梁和柱的計算長(cháng)度，應取側向支承點(diǎn)間的距離，當梁（柱）受壓翼緣的側向支承點(diǎn)間的距離不等時(shí)，應取最大受壓翼緣側向支承點(diǎn)間的距離（在確保安全可靠的前提下，選擇側向支承點(diǎn)時(shí)，應注意使剛架截面不由剛架平面外穩定計算控制設計）。根據驗算結果對桿件截面進(jìn)行調整優(yōu)化，使得截面變化與彎矩大小盡可能趨于一致。
    經(jīng)計算，得出剛架各構件的截面尺寸（表1）。

    由表1中截面尺寸可看出，由于剛架跨度較大，其彎矩變化也較大，在梁截面高度變化的同時(shí)，將中部構件腹板及翼緣厚度也作了相應減小，達到了經(jīng)濟選材的目的。
    2.剛架設計
    2.1剛架節點(diǎn)設計
    門(mén)式剛架節點(diǎn)設計時(shí)既要考慮到傳力機制明確，構造合理，具有必要的延性，避免應力集中及產(chǎn)生過(guò)大的約束應力，同時(shí)也要考慮到制作、安裝方便，容易就位和調整。螺栓端板連接的設計步驟通常是：1）根據受力和構造要求選擇連接方式并布置螺栓；2）計算螺栓所受拉力并確定螺栓直徑；3）確定端板厚度；4）驗算構件腹板的局部強度；5）焊縫設計。由于端板連接是半剛性連接，如節點(diǎn)彎矩過(guò)大會(huì )使其失效，因此設計時(shí)應有足夠的安全儲備，特別是邊柱和斜梁連接處。
    門(mén)式剛架橫梁與柱的連接有端板豎放、斜放、平放等方式，端板的厚度由計算確定，但不宜小于16ｍｍ。端板過(guò)薄，不滿(mǎn)足所需要的強度和剛度要求，設計中應首先考慮增加端板的厚度。如果增加端板厚度很不經(jīng)濟或者厚度很大時(shí)則考慮采用加勁肋。不過(guò)采取這種形式一定要注意滿(mǎn)足高強螺栓的安裝間距要求。高強螺栓的施工大都采用電動(dòng)扳手，不同規格、類(lèi)別（如大六角型和扭剪型）的高強螺栓所需要的安裝間距基本相同，如果間距過(guò)小，則不便于使用電動(dòng)扳手進(jìn)行操作。
    《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》（CECS102:2002）第7.2.5條規定：螺栓中心至翼緣板表面的距離應滿(mǎn)足擰緊螺栓的施工要求，不宜小于35mm。此值是根據電動(dòng)扳手套筒的外徑得來(lái)的。在沒(méi)有側向板件（H型鋼的翼緣和腹板）約束情況下可以滿(mǎn)足要求，但是由于有側向板件的約束，螺栓與側向約束的距離必須大于電動(dòng)扳手本身的外徑，才能保證電動(dòng)扳手與端板垂直，從而將螺栓擰緊。如YJ-A24型電動(dòng)扳手外徑為120 mm.螺栓與腹板或翼緣板的邊距必須大于60 mm方可施工。在設計中要根據具體條件充分考慮施工的要求，不要盲目認為只要不小于35 mm就行了。另外，由于端板焊接加勁肋的焊縫過(guò)多，會(huì )加重端板的角變形，引起端板不平，增加了矯正的工作量，而且矯正的效果不一定很好，影響構件的使用功能。本工程剛架各節點(diǎn)大樣見(jiàn)圖2.

    2.2 剛架柱腳設計
    門(mén)式剛架柱腳有鉸接和剛接兩種，其中剛接柱腳一般用于大噸位吊車(chē)的結構中。由于在門(mén)式剛架中，基礎除了承受由柱傳來(lái)的豎向荷載外還要承受由風(fēng)載等產(chǎn)生的水平荷載作用，水平荷載通過(guò)柱腳底板與基礎混凝土之間的摩擦力傳給基礎。在鉸接柱腳中，在滿(mǎn)足基礎混凝土端面承壓后，有時(shí)柱腳與基礎之間的摩擦力不足以抵抗由風(fēng)載產(chǎn)生的水平力而使螺栓受剪，而柱腳螺栓一般不允許承受剪力。因此，有些設計者為增大摩擦力而增大了柱腳底板尺寸，但是增大柱腳底板尺寸不能增大摩擦力。正確的做法是增加抗剪鍵，抗剪鍵通常用型鋼或鋼管制作。本工程剛架柱腳采用平板式柱腳，這種柱腳形式構造簡(jiǎn)單，便于現場(chǎng)安裝，且計算模式也較簡(jiǎn)單，在無(wú)大噸位吊車(chē)的輕鋼廠(chǎng)房設計中被廣泛采用。
    2.3 支撐體系設計
    本工程的屋面和柱間支撐主要采用由張緊的圓鋼組成的柔性支承，系桿設計成壓桿，采用焊接圓鋼管（若吊車(chē)荷載較大則下柱支撐應設計成剛性支承）,支撐系統的計算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。通過(guò)計算，交叉支撐SR1、ZC2選用∮22圓鋼ZC1選用∮25圓鋼，系桿LL1選用∮121×3.0焊接管，LL2、LL3選用∮140×3.5焊接管。布置時(shí)將支撐布置在靠近翼緣一側，以減小連接處腹板的局部變形，有利于側向支點(diǎn)的剛度貢獻。


    2.4 屋面體系和圍護結構設計
    屋面設計包括檁條、支撐系統、圍護結構及屋面采光通風(fēng)的設計。由于壓型鋼板屋面的特殊性——易漏雨，因此，在屋面通風(fēng)設計中要盡量將洞口開(kāi)在屋脊處。如果根據工藝要求必須在坡面上開(kāi)洞時(shí)，要采取嚴格的防水措施。特別是迎水面，最好選用柔性的防水蓋片，盡量避免采用剛性防水，同時(shí)做好迎水面的排水設計，使迎水面不積水。
    采光設計應優(yōu)先采用帶有防老化膜的與屋面板波形一致的玻璃鋼采光帶，由于采光帶與屋面板波形一致，防水問(wèn)題能夠得到較好的處理。有些設計者為了追求立面的變化而將采光設計成采光罩，這樣便增大了屋面漏雨的概率。
    門(mén)式剛架的屋面由于采用輕質(zhì)材料，一般都采用冷彎型鋼檁條，常用的有卷邊C型和卷邊Z型。這種檁條用鋼量省、制作方便，但側向剛度小，設計時(shí)要考慮檁條施工時(shí)的整體穩定。
    設置屋面檁條之間的拉條是控制檁條側向失穩的重要措施,《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》（CECS102:2002）第6.3.5條規定：檁條跨度大于4m，宜在檁條間跨中設置拉條或撐桿；跨度大于6m，應在檁條跨度三分點(diǎn)處各設置一道拉條或撐桿，在屋脊處還應設置斜拉條和撐桿。斜拉條和撐桿一起構成了屋面系統的結構體系。在單跨剛架設計中，根據規范設置斜拉條和撐桿是可以的，但如果對多跨雙坡屋面只在屋脊處設置斜拉條和撐桿則有些不妥，原因是在拉桿的施工中，過(guò)長(cháng)的屋面使拉桿不易拉緊。最好在每一柱列處均設置斜拉條和撐桿。在設計時(shí)要考慮由于檁條的板件很薄，拉條容易將檁條壁拉變形，在屋面拉條沒(méi)有形成整體之前，拉條并不能約束檁條的扭轉，因此拉條與檁條的連接宜采用兩側帶螺母同時(shí)加墊片的方式，見(jiàn)圖4a，屋脊檁條連接宜采用槽鋼或角鋼，這樣可以形成較大的空間剛度，如圖4b。

    本工程檁條采用斜卷邊Z形冷彎型鋼，規格為Z250X2.2，按連續實(shí)腹式檁條計算，檁條搭接長(cháng)度取為1m，搭接處兩端及中間均用M14螺栓連接。由于跨度7.5m。按“規程”（CECS102:2002）要求在檁條跨度三分處各設置一道拉條，拉條采用∮12圓鋼，設置在離檁條上、下翼緣1/3腹板高度處。
    3.施工中的問(wèn)題
    3.1 H型鋼施工過(guò)程中的變形控制
    門(mén)式剛架所用的板件很薄，對薄板的下料應首選剪切方式而避免用火焰切割。因為用火焰切割會(huì )使板邊產(chǎn)生很大波浪變形。
    目前H型鋼的焊接大多數廠(chǎng)家均采用埋弧自動(dòng)焊或半自動(dòng)焊。如果控制不好易燒傷母材，產(chǎn)生咬邊、塌陷、燒穿等缺陷，易發(fā)生焊接變形，使構件彎曲或扭曲。翼緣的角變形可以用H型鋼矯直機進(jìn)行矯正，但側彎和扭曲卻很難用設備進(jìn)行矯正，目前大多數廠(chǎng)家仍然用火焰矯正，費工費時(shí)，效率很低。因此焊接時(shí)必須嚴格控制輸熱量，控制焊縫的高度，正確使用焊接夾具，采用正確的焊接順序，盡量減小構件的變形。
    3.2 梁端板不平或傾斜
    梁端板不平或傾斜在門(mén)式剛架中幾乎成了一種通病，由于在門(mén)式剛架中梁一般都是變截面，端板既不垂直上翼緣，也不垂直下翼緣，端板不宜定位。在施工中最好用專(zhuān)門(mén)制造的卡尺測量，以確保端板的角度正確，另外，由于端板與梁的焊接會(huì )造成端板的角變形，因此，要嚴格控制焊接的工藝參數，盡量采用3.2mm的小焊條或CO2氣體保護焊，矯正時(shí)要畫(huà)好烤槍的行走區域。
    3.3 檁條在施工過(guò)程中的變形
    制作檁條的鋼板其厚度一般在2-3mm之間，在屋面的支撐系統沒(méi)有形成之前，檁條自身的剛度較差，因此要控制施工過(guò)程的荷載。主要是在安裝拉條時(shí)控制活荷載。在安裝拉條時(shí)，一般是兩個(gè)人分別騎在的兩根檁條上然后將拉條擰緊。雖然檁條的設計考慮了1KN的施工荷載，但往往設計人員將1KN的施工荷載放在拉條形成之后考慮。因此，經(jīng)常發(fā)生檁條提前失穩的現象。在實(shí)際施工中，要采取科學(xué)的施工方法，如搭設可移動(dòng)的平臺安裝拉條;采取合理的施工順序，如從屋脊處向兩邊安裝，先在地面上涂刷油漆和防火涂料等，以減小施工荷載。
    3.4運輸、吊裝時(shí)的變形
    輕鋼構件在運輸和吊裝時(shí)容易變形，因此要采取措施避免由于運輸和吊裝的不合理而對構件造成損傷。如鋼結構在運輸時(shí)宜在下方用方木墊起，綁扎牢固，吊裝和綁扎時(shí)要注意對油漆的保護，并減少構件的倒運次數等。
    4.結 語(yǔ)
    輕型鋼結構體系由于用鋼量少，設計安裝時(shí)間短，工業(yè)化生產(chǎn)程度高，因此在現代建筑，特別是廠(chǎng)房、倉庫等大跨度結構中將得到更廣泛的應用。
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