门式刚架设计应注意的问题

韩冬欢

0 引言

门式刚架设计由于现场施工安装方便快捷,施工速度快,工业化生产程度高,因此在现代建筑特别是在工业厂房、机场车库、体育场馆、加层建筑等大跨度结构中得到了广泛的应用,针对目前设计存在的问题比较多,本人就设计中应注意的问题谈谈自己的看法。

1 门式刚架柱网尺寸的选择

门式刚架柱网布置首先应满足厂房工艺使用的要求,门式刚架间距通常为6 m～9 m,不论是否具有吊车、门式刚架的合理柱距,建议采用8 m～9 m,因为工程中构件数量的多少,将直接影响加工、安装的工程量、施工进度及造价,一个工程采用9 m柱距时的刚架、檩条、吊车梁等构件的数量要比采用6 m柱距时约减少30%,虽然其截面有所增大,但其对缩短施工周期、降低工程造价的有利影响十分明显。门式刚架的经济跨度建议在21 m～24 m范围内,其合理的最大跨度不宜大于36 m。

2 温度伸缩缝

温度变化将引起钢结构厂房变形,使结构产生温度应力,其大小与柱子刚度、吊车轨顶标高和温差有关。当厂房平面尺度很大时,为避免产生过大的温度应力,应在厂房横向或纵向设置温度缝,将平面尺寸很大的厂房分成若干温度区段。温度区段的长度可根据钢结构设计规范执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱方法处理,也可采用设置单柱方法处理,对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座,对横向温度伸缩缝可在框架梁与檩条铰接处采用椭圆孔滑动方式或槽钢夹板滑动方式。

3 支撑系统布置时应注意的事项

1)圆钢支撑仅用于无吊车厂房,直径由计算确定,一般不小于16,按受拉杆计算。圆钢支撑与腹板的连接处,当腹板厚度t≤5 mm时应补强,宜采用专用楔形连接件,端部设置花兰螺丝。2)有5 t及以上吊车时,柱子支撑应采用型钢支撑,分两层设置,并加设水平压杆。无吊车房屋,6.0 m柱距高度超过10 m,7.5 m柱距高度超过13 m时,柱间距支撑应分两层设置。3)柱间支撑的间距一般为30 m～45 m,无吊车时一般设置在端部第一开间或第二开间(并在第一开间相应位置设置刚性系杆)和温度区段;有吊车时吊车梁以上的上部支撑应设置在端开间,并在中间或三分点处同时设置上、下部柱间支撑。4)在设置柱间支撑的开间时,应同时设置屋盖横向支撑,屋盖横向支撑之间应设置刚性系杆,以构成几何不变体系。5)有15 t以上吊车时,应设置屋盖纵向支撑和增加吊车梁的侧向刚度。6)建筑物宽度大于60 m时,在内柱宜适当设置柱间支撑(在外柱支撑相应位置设置)。内柱不能设置交叉支撑时,可改为角撑或纵向刚架。7)在刚架的转折处(边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶)应沿房屋全长设置刚性系杆。

4 檩条、墙梁及拉条

门式刚架轻型结构厂房中的檩条和墙梁一般采用高效经济的实腹式带卷边C形和Z形冷弯薄壁型钢,其优点是截面回转半径和惯性矩相对较大,整体刚度较好,能够充分发挥材料的性能,但同时也存在截面抗扭刚度较小,对荷载的偏心非常敏感,在计算时要考虑可能产生的扭转变形和约束翘曲应力。在设计檩条、墙梁、拉条一类的围护构件时应注意以下几点:

1)风荷载标准值按规程的规定计算更能符合实际;为避免造成施工中的不便,应尽量不采用双层拉条。

2)当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时,可通过稳定计算解决;在风吸力作用下檩条的稳定性可采用《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》中的公式验算。

5 吊车梁设计

关于吊车梁制动桁架的设置、吊车吨位在20 t以下和跨度在24 m以内的轻钢厂房一般可不设制动桁架,在规程(九)中规定轻钢厂房只能设中、轻级工作制桥式吊车,超重量不大于20 t。只要满足吊车梁的强度和变形以及构造要求,在横向水平刹车力的作用下就能满足吊车梁的侧向稳定,当有必要时可适当加大吊车梁上翼缘的宽度,以保证其稳定性。不设吊车制动桁架还可减少制造和安装工作量,降低造价。吊车梁端部设计有平板式和突缘式。实际上突缘式用的较多,现在钢柱用的较多,平板式支座合力点不在腹板位置,柱牛腿要增加加劲肋;吊车吨位大的话还须考虑一个柱距有吊车、一个柱距无吊车情况下,平板式支座合点偏心而产生沿厂房纵向弯矩对柱的作用。

6 钢结构厂房的防锈蚀

钢结构表面未加保护而暴露在大气中就会锈蚀,当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢构件处在潮湿环境中,钢构件厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅使构件截面厚度减薄,而且还会在构件表层产生局部锈坑,当结构构件受力时将引起应力集中现象,使结构过早破坏,因此对钢结构厂房锈蚀问题应予以足够的重视,并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、车间内部工艺布置结构选型和材料选用等方面采取相应对策和措施,以确保厂房结构安全使用。一般钢结构的防锈蚀通常采用防锈漆涂刷其表面,涂层的层数和总厚度应根据构件使用环境和涂层性质决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下,要求涂层厚度为100μ m左右,即底漆两道,面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构,要求总厚度在150 μ m～200 μ m或200 μ m以上。钢柱柱脚在地面以下部分应采用强度等级不低于C20混凝土包裹,其保护层厚度不应小于50 mm。有侵蚀介质厂房的受力构件,其型钢厚度不得小于8 mm,受力焊缝厚度不宜小于8 mm。

7 屋面防水

化工厂房防水、防潮要求高,做好厂房屋面防水十分重要,设计中应特别注意。目前厂房屋面安装有三种方法:第一种是符合彩板自攻螺钉连接,安装简单快捷,但时间长会有漏水的可能;第二种为自扣式连接,无机械损伤,刚性大,防火性能好,但蒙皮效应相对弱一些;第三种为咬合接口,刚性大、防水性好,维护费用低,外观清晰流畅,具有现代美感,在厂房中较多采用。钢结构厂房屋面漏水基本发生在内天沟系统,发生在天沟与屋面板搭接处的居多,俗称屋面泛水,在雨水立管与天沟的结合处也有发生,相对较少些。由于外天沟的自身特性,不存在这个问题。根据笔者经验,防水设计中应注意以下几个方面:轻钢厂房排水天沟宜外设;在结构设计可行的情况下,增加天沟深度;屋面坡度不宜太小;增加雨水斗数量;选用带铝箔的屋面板保温材料,以防止结露或雨水溢进。

8 防爆设计

钢结构厂房具有良好的抗爆性能,强度很高,但由于其在受热后钢材的强度大大下降,耐火极限低,在高温时将失去承受荷载的能力。为此,对于钢结构厂房,其允许极限温度应控制在400℃以下,并应在各类承重钢构件的外表涂刷防火涂料,使其达到规范所规定的耐火极限要求。

9 结语

由于门式刚架及钢结构应用的快速发展,设计中出现了不少问题,所以本人就设计中常被忽略的一些问题提出一些看法,以引起广大设计人员注意,使我们的设计更符合实际应用,达到提高质量和安全可靠的目的。

[1]注一均.钢结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

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[3]GB 50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[4]张 晨.钢结构设计的简单步骤和设计思路[J].山西建筑,2005,31(20):72-73.

[5]甄福荣.门式刚架轻型结构设计要领[J].山西建筑,2009,35(4):102-103.