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关于十字形钢柱在门式刚架山墙悬挑雨篷设计中的应用

发布时间:2022年8月9日 点击数:2052

门式刚架作为一种常见结构体系,目前已被越来越多地应用于各类钢结构工业厂房、仓库的设计中。门式刚架的设计理论和方法已经十分成熟,主要采用对每榀门式钢架通过二维平面结构进行内力分析和计算,平面外则主要通过刚架间设置水平与柱间支撑、系杆及隅撑等构造措施提供稳定性,基本不考虑刚架本身在平面外的抗弯能力,这样的设计方法不仅简化了计算分析,同时最大限度地利用钢结构的受力特性,在一般跨度下表现出较好的经济性。但在具体工程中,由于现代工业建筑在使用功能和设计方案上的要求越来越多,结构设计人员在具体实践中通常会遇到与门式钢架二维平面设计方法相矛盾的问题。

1 工程概况

本工程为兰州新区某冷链仓储物流项目仓库,主体地上1层,总建筑面积约5 000 m2,建筑总长为86.70m,总宽为54.40 m,檐口高度9.6 m,屋面坡度10%,结构形式为轻型门式刚架,长宽比为1.59,高宽比为0.18。主体共2跨,跨度均为27.00 m,柱距为6.00 m、7.30 m。

本工程钢柱主要采用H型钢,山墙边榀刚架柱采用十字形钢柱,钢架柱的柱脚采用刚接,抗风柱、摇摆柱的柱脚采用铰接,钢梁均采用H型钢,外墙板为双层镀铝锌压型钢板+200 mm厚防火岩棉板,屋面板为双层压型彩钢单板+200 mm厚玻璃棉卷毡,建筑内部通过砌体防火墙分割为若干防火分区,砌体材料为加气混凝土砌块,基础采用机械钻孔灌注桩,桩身穿透大厚度湿陷性黄土进入泥质砂岩层(图1)。

图1 结构三维布置示意

图1 结构三维布置示意   下载原图


沿建筑外纵墙及山墙均设计有悬挑雨篷,外纵墙仅在建筑出入口处设有悬挑雨篷,悬挑长度为2m(均指悬挑钢梁端部至柱翼缘外皮),宽度最小的为6m,最大的达14.8m;山墙处悬挑雨篷悬挑长度为2m,宽度为沿山墙方向通长设置。雨篷均采用悬挑H型钢梁与系杆组合结构,上设檩条,面板为彩钢夹心复合保温板,坡度均为向外2%。

2 设计条件

采用中国建筑科学研究院北京构力科技有限公司PKPM结构设计软件(V5.2版)钢结构二维设计门式钢架模块对每榀门式钢架进行计算分析,设计规范执行GB 51022—2015《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》。

本工程抗震设防烈度为7°,设计基本地震加速度0.15g,设计地震分组为第三组,建筑场地类别为Ⅱ类,基本风压为0.30 k N/m2(R=50),基本雪压为0.20 k N/m2(R=100),抗震设防类别为丙类,钢结构抗震等级为四级,不上人屋面可变荷载标准值按0.3 k N/m2考虑。

计算由程序自动确定容许长细比,因本工程墙体为砌体墙,柱顶位移和柱高度比按1/240控制,钢梁的挠度和跨度比按1/240控制,钢梁按压弯构件验算平面内稳定性,钢材标号均采用Q345,自重计算放大系数为1.2,净截面和毛截面比值按0.85,结构重要性系数为1。荷载分项系数永久荷载为1.3,活载为1.5,风载为1.5,地震为1.3,考虑可变荷载不利布置,考虑永久荷载作用下柱的轴向变形,地震作用考虑水平和竖向地震,计算振型个数3,阻尼比0.55,地震力计算方式为振型分解法,按耐火等级为二级考虑抗火设计。

3 存在的问题

以山墙边榀刚架二维计算结果为例(图2),外纵墙悬挑雨篷钢梁参与模型计算(刚架平面内两侧悬挑钢梁),刚架梁采用型钢H300×200×6×10,悬挑雨篷钢梁采用型钢H200×100×6×8,刚架边柱采用型钢H300×200×6×10,中柱(屋脊处)采用型钢H350×350×8×16,抗风柱(上下铰接,同时传递风荷载及竖向荷载)采用型钢H300×300×6×12,边柱、中柱强轴均位于刚架平面内,抗风柱强轴垂直于刚架平面。

钢构件应力比计算结果见表1。钢梁、钢柱作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值、平面内外稳定应力比均较小,具有较大的安全冗余度,这主要是因为本工程边榀刚架抗风柱按同时传递风荷载和竖向荷载考虑,减小了钢梁的计算跨度,而刚架柱、抗风柱则主要受长细比控制。

图2 门式钢架结构二维计算简图示意

图2 门式钢架结构二维计算简图示意   下载原图


  

表1 钢构件应力比计算结果  下载原图



表1 钢构件应力比计算结果

注意到,外纵墙悬挑雨篷钢梁已建入模型整体计算,刚架边柱可承担悬挑钢梁传递的平面内作用弯矩,但山墙悬挑雨篷未体现在该计算模型中,门式刚架二维平面计算方法无法考虑刚架平面外悬挑构件所产生的弯矩对刚架柱、抗风柱的影响,因此需要以垂直于刚架平面为方向,单独建立二维计算模型来解决这个问题(图3)。

图3 刚架边柱平面外结构二维计算机简图示意

图3 刚架边柱平面外结构二维计算机简图示意   下载原图


以刚架边柱为例进行计算分析。

根据计算结果(表2)可以得知,刚架边柱在刚架平面外设计悬挑雨篷钢梁时,其对应在刚架平面外方向抗弯承载力比值、平面内、外稳定应力比均较刚架平面内计算时明显偏大,相对应刚架平面外方向柱长细比则远超规范规定的容许值180。

尝试不断增大钢柱规格,当刚架柱规格增大至型钢H450×450×10×16时,其对应刚架平面外方向柱长细比计算通过,但这样的钢柱截面显然非常不经济,而且利用H型钢弱轴方向承担悬挑弯矩作用本身并不合理。

  

表2 钢构件应力比计算结果  下载原图



表2 钢构件应力比计算结果

对刚架中柱进行类似的计算也得到了相同的结果,而抗风柱则不存在这个问题,因为抗风柱本身强轴方向就处于刚架平面外方向上。

4 解决方案

在传统的门式钢架设计中,常用在山墙边榀刚架之外单独设计与主钢架相对脱离的悬臂式抗风柱,柱顶同刚架以弹簧片相连接,仅承担风荷载并传导至刚架,抗风柱为H型钢,腹板方向垂直于刚架平面,在刚架边柱、中柱外侧也同样设有强轴方向垂直于刚架平面的抗风柱,这样可以在抗风柱上设置悬挑钢梁。

但这样的做法也有一些不便,首先是边榀刚架处结构过于复杂,钢柱数量较多,柱顶同刚架的连接仅限于传递风荷载而不能传递竖向荷载,面对特定的建筑方案或工艺要求,这种结构布置具有一定的局限性。

于是考虑是否可以采用十字形钢柱作为山墙榀门式钢架的边柱和中柱,利用十字形钢柱没有弱轴的特点从而实现同时满足平面内和平面外的抗弯承载力及长细比要求,优化结构布置的同时提高投资经济性。

采用规格为十字工300×200×300×200×6×16的十字形钢柱在刚架平面外方向单独建模进行计算,发现其在刚架平面外方向抗弯承载力比值、平面内外应力比、长细比均满足要求,计算结果见表3。

  

表3 钢构件应力比计算结果  下载原图



表3 钢构件应力比计算结果

同时将该十字形刚架边柱代入刚架整体平面计算模型中进行二维计算分析,在刚架平面内计算结果仍然满足。而单位长度十字工300×200×300×200×6×16自重为型钢H450×450×10×16的86%,采用十字形钢柱更为经济,并且从受力概念上更为合理。

该结果表明,十字形钢柱在两个主轴方向均具有较好的承载能力,可同时满足门式钢架平面内和平面外受力要求,并且成本可控,具有较好的经济性和可行性,柱底采用铰接或刚接均可,但若采用刚接则可具有更好的整体稳定性。

需要注意的是,在门式钢架二维计算中,可以通过定义约束条件将柱脚设计为刚接,但该刚接仅表示平面内刚接,钢柱在平面外仍然是默认铰接的,如果采用十字形钢柱作为钢架柱进行设计时需要考虑柱脚在两个方向均为刚接,则应在柱脚设计时注意核对柱脚螺栓布置是否在钢柱两个方向均为按刚接设计(本工程仅考虑主钢架平面内钢柱柱脚为刚接,平面外仍按铰接可虑可满足计算要求,铰接能尽可能减小柱脚尺寸,节约基础短柱尺寸,更经济)。

另外需要强调的是,根据相关的工程实践经验,十字形钢柱在加工制作的过程中,有时会出现钢柱扭曲变形,现场难以调整、矫正的问题,这主要是由于十字形钢柱加工涉及钢板切割、拼接、组合、焊接等多种工艺。

因此在订货时务必委托具有相应专业资质和加工经验的正规钢材加工厂,具备十字形钢柱的加工工艺和焊接水准,包括不允许电弧擦伤、严格控制H型钢组立允许偏差,检查组队尺寸等,应使用矫正机或高温火焰矫正,吊装时应注意对钢柱中心线、翼板的相互垂直度进行严格检查,使用载重满足的起吊设备进行吊装并在钢柱顶部固定揽风绳,同步观测并校正钢柱偏移和垂直度。

5 结束语

十字形钢柱作为一种钢结构异形柱,相比于传统的H型钢,没有弱轴,在两个主轴方向均具有较好的抗弯承载力,延性及抗震性能良好,加工焊接技术也较为成熟,质量可靠,运输及施工方便。

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