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輕鋼結構廠房設計施工中某些問題的探討

作者：王 希 春    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
通過工程實例，詳細探討了一般輕鋼結構廠房的結構分析、節點設計、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廠房中的應用有其優越性。

    關鍵詞：輕鋼結構 結構設計 施工

    1.工程概況及結構布置
    沈陽遠大鋁業有限公司國際鋁業加工中心廠房工程，總建筑面積為17920?,長280m，寬64m,為兩跨對稱門式剛架輕鋼結構，每跨跨度為32m,柱距為7.5m,有兩臺3t輕型工作制電動單梁吊車。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。
    由于門式剛架輕鋼結構不設伸縮縫的要求為：縱向溫度區段長度不大于300m,橫向溫度區段不大于150m,因此本工程無須設置伸縮縫。屋面采用輕質材料如壓型鋼板、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,風載按基本風壓及荷載規范的體型系數取用，計算吊車荷載效應時考慮吊車輪壓的最不利位置，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
    輕型鋼結構門式剛架，當采用輕型墻板作為圍護結構時，柱頂的水平位移與柱高的比值；設有由地面操縱的吊車時柱頂位移限值為1/180.僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的門式剛架斜梁容許撓度為L/180（L為受彎構件的跨度）
    2）截面參數控制
    門式剛架梁的最小高度與其跨度之比，對實腹梁可取為1/30-1/45.《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（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，并對構件進行截面驗算，驗算時應注意計算長度的取值。剛架平面內柱計算長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，實腹式剛架梁和柱的計算長度，應取側向支承點間的距離，當梁（柱）受壓翼緣的側向支承點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支承點間的距離（在確保安全可靠的前提下，選擇側向支承點時，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行調整優化，使得截面變化與彎矩大小盡可能趨于一致。
    經計算，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，將中部構件腹板及翼緣厚度也作了相應減小，達到了經濟選材的目的。
    2.剛架設計
    2.1剛架節點設計
    門式剛架節點設計時既要考慮到傳力機制明確，構造合理，具有必要的延性，避免應力集中及產生過大的約束應力，同時也要考慮到制作、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，如節點彎矩過大會使其失效，因此設計時應有足夠的安全儲備，特別是邊柱和斜梁連接處。
    門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。端板過薄，不滿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濟或者厚度很大時則考慮采用加勁肋。不過采取這種形式一定要注意滿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扳手，不同規格、類別（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，如果間距過小，則不便于使用電動扳手進行操作。
    《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102:2002）第7.2.5條規定：螺栓中心至翼緣板表面的距離應滿足擰緊螺栓的施工要求，不宜小于35mm。此值是根據電動扳手套筒的外徑得來的。在沒有側向板件（H型鋼的翼緣和腹板）約束情況下可以滿足要求，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扳手本身的外徑，才能保證電動扳手與端板垂直，從而將螺栓擰緊。如YJ-A24型電動扳手外徑為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多，會加重端板的角變形，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。本工程剛架各節點大樣見圖2.

    2.2 剛架柱腳設計
    門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的結構中。由于在門式剛架中，基礎除了承受由柱傳來的豎向荷載外還要承受由風載等產生的水平荷載作用，水平荷載通過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，在滿足基礎混凝土端面承壓后，有時柱腳與基礎之間的摩擦力不足以抵抗由風載產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單，便于現場安裝，且計算模式也較簡單，在無大噸位吊車的輕鋼廠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）,支撐系統的計算簡圖見圖3。通過計算，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，在屋面通風設計中要盡量將洞口開在屋脊處。如果根據工藝要求必須在坡面上開洞時，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，同時做好迎水面的排水設計，使迎水面不積水。
    采光設計應優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。
    門式剛架的屋面由于采用輕質材料，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，設計時要考慮檁條施工時的整體穩定。
    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,《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（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，過長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加墊片的方式，見圖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，按連續實腹式檁條計算，檁條搭接長度取為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.施工中的問題
    3.1 H型鋼施工過程中的變形控制
    門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。因為用火焰切割會使板邊產生很大波浪變形。
    目前H型鋼的焊接大多數廠家均采用埋弧自動焊或半自動焊。如果控制不好易燒傷母材，產生咬邊、塌陷、燒穿等缺陷，易發生焊接變形，使構件彎曲或扭曲。翼緣的角變形可以用H型鋼矯直機進行矯正，但側彎和扭曲卻很難用設備進行矯正，目前大多數廠家仍然用火焰矯正，費工費時，效率很低。因此焊接時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式剛架中幾乎成了一種通病，由于在門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。在施工中最好用專門制造的卡尺測量，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，矯正時要畫好烤槍的行走區域。
    3.3 檁條在施工過程中的變形
    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有形成之前，檁條自身的剛度較差，因此要控制施工過程的荷載。主要是在安裝拉條時控制活荷載。在安裝拉條時，一般是兩個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，經常發生檁條提前失穩的現象。在實際施工中，要采取科學的施工方法，如搭設可移動的平臺安裝拉條;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、吊裝時的變形
    輕鋼構件在運輸和吊裝時容易變形，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。如鋼結構在運輸時宜在下方用方木墊起，綁扎牢固，吊裝和綁扎時要注意對油漆的保護，并減少構件的倒運次數等。
    4.結 語
    輕型鋼結構體系由于用鋼量少，設計安裝時間短，工業化生產程度高，因此在現代建筑，特別是廠房、倉庫等大跨度結構中將得到更廣泛的應用。
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