摘要：通过对无柱间支撑门式刚架库房的分析 ,对无柱间支撑、 大柱距的门式刚架库房设计进行了探讨。介绍了无柱间支撑特殊门式刚架库房的纵向稳定措施及基础设计方法。 关 键 词：门式刚架库房 纵向稳定措施 基础设计
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
Abstract: through between the columns support door to no frame of the analysis of the warehouse, to no between the columns support, and from the pillars of the door frame of warehouse design are also discussed. Is introduced between the columns support special door frame of longitudinal stabilization measures and warehouse based design method.
Close key words: the door frame of longitudinal stabilization measures the foundation design warehouse
1工程概况
本工程为大唐国际发电股份有限公司胜利东二号露天煤矿的外修队设备库,该库房是为了用于存放工程车及其它设备。外修队设备库为单层单跨双坡门式刚架 ,刚架跨度 24 m,柱高 7.5m,柱距分别为 12 m、6m,共22榀，屋面坡度1 /10,地震设防烈度 6度。永久荷载特征值 (水平投影面 ) 0 . 5 kN /m2,可变荷载特征值取屋面活载与雪荷载中较大值 0 . 5 kN /m2,基本风压 0 . 55 kN /m2,地面粗糙类别 B类 ,结构安全等级二级。
2结构形式分析
门式刚架的柱距确定应结合刚架的跨度、 屋面荷载、 檩条形式等因数综合考虑。在刚架跨度较小的情况下 ,选用较大的柱距 ,增加檩条、 墙架体系用钢量是不经济的。门式刚架最优柱距应在 6 m左右。然而为了满足工艺使用要求 ,该门式刚架柱距须设为 12 m、6m,且在两榀刚架之间不得设置柱间支撑。这样 ,设计时就需要摆脱使用斜交叉支撑传递纵向水平荷载至柱脚的常规作法。该库房在设计过程中就需要重点解决如何保证库房纵向结构稳定的问题。同时 ,随着柱距的加大 ,结合纵向连接构件的形式 ,梁柱节点构造、 基础设计也应根据具体情况确定恰当的计算模型。
3结构纵向稳定措施
通常情况下,为了保证门式刚架的纵向稳定 ,设计时往往采用十字形交叉支撑、人字形支撑等简单的支撑体系。支撑体系在门式刚架轻钢结构体系中具有十分重要的作用,主要体现在以下几方面:将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构;为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点 ,减少平面外的计算长度;简捷明了地传递风荷载、 温度应力、 地震力及吊车纵向水平制动力等纵向荷载。
该库房柱间距分别为12 m、6 m,且为了满足使用要求 ,柱间不得设置常规的支撑体系。厂房横向 (24m方向)为门式刚架 ,横向的结构稳定是可以得到保证的，横向荷载可以通过刚架顺利传至基础。至于厂房纵向 (柱距方向 )，作用在山墙上的水平风荷载 ,大部分需由可靠的柱间支撑传至边柱基础顶部 ,同时地震力、温度应力也通常通过可靠的柱间支撑传递。倘若不设置柱间支撑 ,门式刚架本身纵向刚度很小 ,且该库房柱与基础的连接采用铰接 ,纵向结构是不稳定的。在不设置常规的斜交叉支撑的情况下，如何保证刚架的纵向稳定呢? 设计时我们对以下方案进行了比选：一种是在门式刚架边柱顶部设置有足够刚度的水平系杆，系杆与柱顶刚接，在纵向平面内也形成顶部坡度为零的刚架，以确保厂房在纵向的结构稳定。经计算，满足要求的系杆截面很大，且系杆与刚架立柱的腹板需刚接，在连接处产生较大的弯矩，局部应力过大，构造处理困难。
另一种方式则是在门式刚架边柱顶部设置平行弦桁架，上、下弦与边柱只需铰接，就可在纵向平面内也形成顶部水平的刚架，以确保厂房在纵向的结构稳定。采用桁架时，在桁架端头有较大的力臂来传递弯矩，且造型美观，最终被设计选定。
3 . 1桁架受力分析（以12m桁架为例）
本桁架由上弦杆、 腹杆和下弦杆组成 ,构件之间通过与节点板焊接相连。为了减少次应力及焊接应力的影响 ,腹系中不再设置分腹杆。将作用在山墙上对应区域的风荷载折算成线荷载作用在纵向刚架立柱上 (立柱与基础铰接 )，结合桁架自重,可求得各杆件的内力。桁架杆件布置示意如图 1。经计算，上弦杆中 1～5号杆件为受压杆 ,下弦杆中 11～12号杆件为受压杆。
3 . 2桁架杆件选择（以12m桁架为例）
桁架设置在相邻横向刚架边柱顶部之间，间距12m的两支座之间无任何侧向支撑 ,在选择上、 下弦截面时，弦杆垂直桁架平面的翼缘应有足够的宽度才能保证弦杆在桁架平面外的稳定性。为此 ,上、 下弦截面选择组合不等边角钢 (短边组合 )较为合理。弦杆组合截面需满足 GB 500172 2003 《钢结构设计规范 》[ 1 ]对受压构件容许长细比的规定：
l / i≤150
式中 l― ― ― 压杆出平面的计算长度;
i― ― ― 组合截面绕平行于填板方向的回转半径。
这时，弦杆平面外的计算长度 l不应简单地取为12 m,而应取根据桁架受力分析得出的弦杆受压段的长度作为计算长度 l (采用桁架结构后 ,本工程由 12 m变为了 10 m,减少 1 /6)。选出符合要求的截面后 ,再进行受压构件的整体稳定性计算：
σ=N /φA ≤ f
式中 σ― ― ― 压杆正应力;
N― ― ― 压杆轴向力;
φ― ― ― 轴心受压构件的稳定系数;
A― ― ― 杆件毛截面面积;
f― ― ― 钢材的抗压强度设计值。
桁架中的受拉杆件长细比λ不宜超过 350。
经计算 ,最终选定的桁架上、下弦截面为 2L140 × 90 × 8 (短边组合)。截面形式见图 2。
3 . 3桁架节点设计
桁架设计的成功与否，除了合理选择杆件截面外 ,节点构造也至关重要。
3 . 3 . 1节点杆件布置
实践经验证明，节点处杆件布置直接影响节点的承载能力。节点处构件布置见图 3。
a．杆件节点中如果两杆件边缘之间的间隙太大 ,虽然施工制作方便，但节点刚度较差。为提高节点刚度，可减少节点处腹杆之间的间隙，但这又有可能导致焊缝重叠和腹杆受力重叠，为了兼顾两者一般取20 mm。
b．应使腹杆中心线尽量相交于弦杆中心线,当其偏心小于弦杆连接肢宽度的 1 /6时,偏心影响可予以忽略,否则应考虑腹杆偏心的影响,进行偏心计算。
c. 节点板应伸出弦杆 10～15 mm,以便焊接。
d. 桁架节点板的形状应简单，如矩形、 梯形等。以制作简便及切割钢板时能充分利用材料为原则。节点板的平面尺寸应根据杆件截面尺寸和腹杆端部焊缝长度来确定，长度和宽度宜为 5 mm的倍数 ,在满足传力要求的焊缝布置的前提下 ,节点板尺寸应尽量紧凑。一般采用放样确定具体尺寸。
3 . 3 . 2节点焊缝计算
桁架杆件间的连接可采用全周角焊缝 ,也可部分采用角焊缝。焊缝应平滑过渡 ,减少应力集中。本桁架腹杆与节点板采用三面围焊。此时 ,腹杆端焊缝首先全部达到承载力 ,且焊缝长度为肢宽 ,端焊
缝能承受的内力：
N1 = he l w1β f fwf
肢背和肢尖分担的内力:
N2 = kaN -N12; N3 = kbN -N12
肢背和肢尖焊缝计算长度:l w2 =N2he fwf; l w3 =N3he fwf
式中 N1 , N2 , N3― ― ― 腹杆端焊缝、 肢背焊缝、 肢尖焊缝所分担的内力;
l w1 , l w2 , l w3― ― ― 腹杆端焊缝、 肢背焊缝、 肢尖焊缝计算长度;
ka , kb― ― ― 肢背、 肢尖内力分配系数;
N― ― ― 腹杆轴力设计值;
he― ― ― 角焊缝的计算厚度,取焊脚尺寸的0 . 7倍;
β f― ― ― 正面角焊缝的强度设计值增大系数,本桁架取 1 . 22;
fwf― ― ― 角焊缝强度设计值。为了保证焊缝质量 ,创造良好的施焊条件 ,杆件之间的夹角一般不宜小于 30° 。
4 基础设计
门式刚架虽然自重较轻 ,但水平风荷载并未因结构自重的降低而减小 ,结果造成结构基础垂直反力过小而弯矩较大;另一种情况是刚架自身结构水平推力过大 ,结果也造成基础弯矩较大,即基础荷载偏心距过大 ,这给基础设计带来麻烦。由于门式刚架具有以上受力特点 ,若柱脚形式采用刚性柱脚可以提高厂房的整体刚度 ,从而减少侧移。但这样一来 ,由于刚架自重轻 ,水平荷载与竖向荷载比值较大 ,在风荷载等水平力共同作用下 ,基础一般有较大的弯矩 ,厂房边柱基础荷载偏心距较大 ,所以刚性柱脚常用于有吊车或立柱高度较大的门式刚架。经过反复比选,决定将柱脚形式采用铰接柱脚。铰接柱脚时 ,刚架在柱脚处仅产生竖向轴力和水平剪力 ,基础荷载偏心距相对于刚性柱脚时较小。对于此时存在的偏心距,通过研究分析 ,我们比选了以下几种方案。
4 . 1 加大基础压重
在柱脚内力 (弯矩、 剪力、 轴力)和基础形式 (长、宽)已确定的情况下,增加基础压重是减少偏心距的较好措施,实际工程中可有以下两种方法操作:
a. 库房设置基础梁 ,使墙体重量通过基础梁传到基础上 ,以调节基础偏心距。但受墙体材料、 墙高及建筑要求的限制。
b .增加基础埋深 ,此时基础底面以上压重增大 ,这对降低偏心距来说是有利的 ,但水平荷载的力臂相应增大 ,致使降低偏心距的效果并不明显。
以上两种方法都对地基承载力要求较高 。
4 . 2 采用偏心基础
该方法只适用于偏心距较小的情况 ,其原理就是使基础本身受力偏心 ,相当于针对较大的弯矩(柱脚传来)增加一个反向的弯矩 ,使基础满足设计要求。该库房在纵、 横两个方向均存在较大的偏心距 ,故不宜考虑采用偏心基础。
据《大唐国际发电股份有限公司胜利东二号露天煤矿地面生产系统岩土工程详细勘察报告》(中煤国际工程集团沈阳设计研究院2008年3月编制) 中砂层的地基承载力特征值为300 kPa。采用加大基础压重方法能够满足本工程的基础设计。
5 结论
本工程至今已竣工投入使用，经历多次沙尘暴的考验 ,均能满足正常使用要求 ,取得了较好的经济效益和社会效益。门式刚架的优点是节材高效 ,耗钢少 ,自重轻,制造安装运输简便 ,工期短 ,可拆迁 等。在露天煤矿有很多大型机械设备，需建设相应的单层钢结构库房，很多时候都不能按常规结构形式设置柱间支撑。当柱间距较小时 ,可采用截面较大的钢系杆构成纵向框架而不设置柱间支撑;当柱间距较大时 ,钢系杆就不再适用 ,而应采取其他结构措施实现库房的纵向稳定。为此 ,本文对单层轻钢结构库房为满足使用要求不能设置柱间支撑时提供一种思路。
参考文献:
[ 1 ]GB 500172 2003,钢结构设计规范 [ S]1
[ 2 ]钢结构设计手册 (第三版).《钢结构设计手册编辑委员会》.
北京:中国建筑工业出版社 , 2010.6
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