鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：本文以內蒙古一煤場集運站工程為例，介紹了跨度為53.5m的多連跨門式剛架結構形式的選型及設計思路，以及在設計和施工時應注意的幾個要點，對大跨度門式剛架結構形式的設計及應用進行一些探討。
關鍵詞：大跨度；門式剛架；多連跨；輕鋼結構；節點
1. 前言
隨著經濟的發展，人們對環境的重視度也越來越高，政府也加大了力度治理環境污染，內蒙古政府為了治理環境，對內蒙古現有的露天煤場及其集運站均進行了環境評估，對那些環境評估不達標的進行整改，而煤場集運站對環境的污染最嚴重的就是揚塵，而對揚塵最好的治理辦法就是將粉塵封閉，本文論述了某一煤場集運站的封閉設計過程。
2. 工程概況
該煤場集運站為1616米x309.2米（長x寬），占地面積為50萬平方米，為6連跨，第一跨為53m，第二到第五跨均為53.5m，第六跨為42.2m，其中前5跨跨中均有一條運煤專線電氣化鐵路，鐵路上面設有高壓線，煤場的最高堆煤高度為15m，煤場四周已設有擋風抑塵墻，墻頂標高為20m，此次設計主要為加蓋煤場的屋頂，而且其整個屋面需安裝太陽能電池板，屋面作為一個大型的太陽能發電裝置。建筑施工總圖見圖1。
圖1 建筑總平面布置圖（大跨度門式剛架）
3. 設計荷載及選材
本工程建筑抗震設防類別：丙類；設防烈度：8度；設計基本地震加速度值：0.30g；設計地震分組：第一組；抗震類別：丙類；場地類別：Ⅲ類。
設計荷載：屋面恒荷載：0.40kN/m2（單層壓型彩鋼板+太陽能板）；屋面活荷載：0.30 kN/m2 (剛架)/0.50 kN/m2 (檁條)；基本風壓：0.55kN/m2；基本雪壓：0.25kN/m2；地面粗糙度：B類。
材料選用和要求：本工程鋼柱、鋼梁材質為Q345B；抗風柱、屋面支撐及柱間支撐材質為Q235B； 屋面檁條、墻檁采用熱鍍鋅處理，材質為Q345；其余次結構材質均采用Q235。
4. 結構分析
4.1 結構選型
在結構選型上，進行了三個方案的比較，大跨度門式剛架方案、網架方案及桁架方案，經過方案比較，決定采用大跨度門式剛架方案，其優勢在于： 1）可以采用梁柱剛接節點，降低整個結構的高度，控制在擋風抑塵墻之下，減少風荷載對整個結構的影響；2）考慮到煤場有5條運煤專用鐵路，每天均有數量不等的運煤火車進出，在施工時需考慮火車和堆煤對整個施工的影響，若采用網架及桁架，這么大的跨度，需要設置滿堂的腳手架，這樣既影響煤場堆煤，也影響火車進出，采用門式剛架，施工比較靈活，可以根據現場的實際情況隨時作出變動；3）從經濟上來比較，門式剛架的制作施工成本均較網架、桁架低；根據以上幾點，最終選定為門式剛架結構形式。
4.2 結構分析的幾點思考
1）由于工程地處煤場，為防止煤對廠房鋼柱柱腳的腐蝕，我們將鋼柱設為剛接，柱腳底板標高定為+1.000米，將其立于砼柱上（見圖2）。
圖2 獨立基礎（大跨度門式剛架）
2）根據《鋼結構設計規范》溫度區段長度不大于120m。
由于廠房縱向長度為1616m，縱向長度比規范限定的120m超出太多，若在結構上每120m設置結構伸縮縫即立雙柱，勢必會使廠房用鋼量增加，因此我們對結構方案作了調整，即將整個廠房分為12個區段，每兩個區段之間布置一個天井，天井寬度為12m（見圖1），這樣既符合規范對廠房縱向溫度區段不大于120m的規定且天井對整個廠區起到了釋放溫度應力的作用，同時整個廠區的通風與采光大大改良，廠房的造價也相應降低。
3） 為保證廠房屋面的整體穩定性，我們在設計中將整個屋面的水平支撐作環狀封閉布置，且每跨的屋面水平支撐也設計為一個封閉圈，現取某個區域圖為例（見圖3）。
圖3 屋面水平支撐圖
4） 廠房兩區段（即天井端部）之間采用加密C型檁條連接，檁條與鋼梁之間采用可滑移的連接節點，以減少溫度應力保證各區段之間的獨立性。檁條連接板上采用長圓孔（Φ14x90），并使檁條與鋼梁之間可相對滑移（見圖4）。
圖4 天井處檁條連接節點做法（大跨度門式剛架）
4.3 計算結果
本工程采用PKPM系列之STS進行計算分析，受壓構件的長細比控制為1/150，受拉構件的長細比控制為1/300，絕對撓度限值控制為1/180。模型經過多次調整后，其彎矩及撓度值見圖5（截兩跨為例）。
圖5 剛架彎矩及撓度圖
經調整后剛架梁柱截面見圖6
圖6 剛架模型示例
5. 節點分析
本工程設計難點主要在于剛架單跨跨度大，導致屋面鋼梁截面較高，鋼梁截面高度最大處達1800mm，這給節點設計與現場安裝帶來了一定難度，為解決施工安裝問題，我們對構件連接節點作了必要的計算分析，最后采取以下兩種措施：a．梁柱連接節點采用剛接連接形式，有利于剛架剛度的提高，即鋼梁翼緣用現場單面剖口對接焊焊接，腹板用M30摩擦型高強螺栓連接,并加厚柱頂連接板，且梁柱連接板采用雙剪連接，一塊采用工廠焊接，一塊采用現場焊接。具體節點形式（見圖7）。
具體計算步驟如下：
1） 示意圖：
圖7 梁柱連接節點
連接類型：摩擦型高強螺栓
2）基本參數
螺栓選用摩擦型高強螺栓M30，10.9級，構件材性：Q345。
摩擦面處理：鋼絲刷清除浮銹或 未經處理的干凈軋制表面摩擦面的抗滑移系數為 0.35，受剪面數目為1個，計算得：單個螺栓受剪承載力 Nvb = 111.825 kN，螺栓承載力折剪系數為 0.78254，折剪后單個螺栓受剪承載力 Nvb = 87.5075 kN，螺栓群受力 N = 0 kN ， V = 110 kN ， M = 580 kN•M
3）螺栓群形心計算
螺栓個數 BoltNum = 32，排列方式見下圖梁柱連接節點。
4）螺栓受力計算
螺栓受剪力最大處：受到N產生的剪力 Nx1 = 0 KN；受到V產生的剪力 Ny1= -3.4375 KN；受到M產生的剪力 Nx2 = -63.2267 KN ， Ny2 = -4.21512 KN ，Nv = 63.6882 KN ， Nv <= Nvb 滿足!
5）凈截面承載力驗算
Vy = 110.00kN;
Ⅰ-Ⅰ截面的毛截面計算面積：
A = （2×70＋100）×16 = 3840.00mm2 ；凈截面計算面積：An =（2×70＋100）×16－2×32.00×16 = 2816.00mm2；σ1 = 110.00×103/3840.00 = 28.65N/mm2；σ2 =（1-0.5×（2/32））×（110.00×103/2816.00） = 37.84N/mm2；σ = max{σ1,σ2} = 37.84N/mm2≤f=310N/mm2，滿足要求。
6）節點板抗彎驗算
節點板：-16×1640×240，I=bh3/12=0.016×1.643/12=5.88×10-3m4，
W=2I/h=5.88×10-3/0.82=7.17×10-3m3，
σ=M/W=580×103/7.17×10-3=80.9N/mm2<345N/mm2 滿足抗彎。經過驗算，認為在保證剛架側向穩定的前提下，屋面鋼梁能滿足翼緣抗彎腹板抗剪的要求，且梁柱連接處單塊連接板能承受屋面鋼梁的荷重，此理論計算為現場安裝提供了一定的理論依據，也為工程的順利施工奠定了基礎。
b．為便于現場安裝加快工程進度梁梁連接節點采用端板拼裝形式，具體見圖8。
圖8 梁梁連接節點（大跨度門式剛架）
計算如下： 1）高強螺栓參數：選用螺栓型號為M30；螺栓強度等級：10.9級 2）連接構件參數：摩擦面抗滑移系數為0.35；連接構件材質：Q235 3）節點內力：彎矩M：1061.5 KN.M；剪力V： 95.9 KN 4）驗算結果：Nt: 226.53KN Nv: 4.79KN；t≥ 26.5mm 受力最大螺栓承受拉力值 Nt：226.53KN < 設計預拉力 0.8*P：284KN 滿足；單個螺栓承受的剪力 Nv：4.79KN < 抗剪承載力設計值 Nvb： 22.62KN 滿足；端板所需厚度 t≥ 26.5mm ，翼緣內第二排螺栓處應設置加勁板或局部加厚腹板。
6. 結論
1）大跨度的門式剛架應根據彎矩的變化采取分段變截面的形式，以減輕剛架的自重，尤其是橫梁的自重，這樣方便制作和運輸。
2）大跨度的門式剛架采用高強度的鋼材有利于減小截面尺寸和自重，但同時橫梁剛度降低，設計撓度增大，設計中應綜合考慮。
3）門式剛架的柱腳設為剛接，可有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對于大跨剛架節省用鋼量是十分有利的。
4）大跨度門式剛架加強其屋面水平剛度，加強屋面鋼梁與鋼柱的節點剛度，可大大提高其整體穩定性。
5）門式剛架屋面檁條與鋼梁之間采用可滑移的節點有利于減少屋面的溫度應力。
參考文獻
［1］《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）（2006版）
［2］《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）
［3］《建筑鋼結構焊接規程》（JGJ81-2002）
［4］《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）
［5］《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）
［6］《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS 102:2002）
［7］《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）
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