轻型钢结构厂房的设计与研究.docx

【摘要】随着我国建筑行业的进步，钢结构的厂房开始增多，其中，轻型钢结构厂房成为了设计的一大选择。本文将从以下几个方面来分析轻型钢结构厂房设计的相关问题，以提高我国钢结构厂房设计的水平。 　　【关键词】轻型；钢结构；厂房；设计；研究 　　中图分类号：TU291 文献标识码：A 　　1、前言 　　目前，我国钢结构厂房数量开始上升，尤其轻钢结构厂房，日益得到人们的认可。轻钢结构厂房如果没有进行科学的设计，就不能够具有很好的使用效果。因此，对轻钢结构厂房的设计方法进行分析和研究是非常有必要的。 　　2、轻型钢结构概念、结构特点 　　2.1、轻型钢结构概念 　　通常情况下，轻型钢结构指的是以热轧H型钢、焊接H型钢、高频焊接型钢、冷弯薄壁型钢、薄壁钢管和焊接薄钢板变截面梁、柱等构成的结构。与普通钢结构有很大区别。普通钢结构通常是由组合柱、钢屋架和大吨位的吊车梁等组成，比较适用于荷载或者是吊车起重量较大的结构。伴随着我国产业结构的调整，普通的钢结构不断减少，但轻型的钢结构在逐渐增加。 　　2.2、轻型钢结构的特点 　　轻型钢结构的特点包括以下内容： 　　2.2.1经济指标好，节省投资，用钢量少，结构自重轻。其中单层轻钢的仓库用钢量是16～30k/m3，低于同条件下钢筋混凝土结构用钢量，还能减少大量的水泥、木材等其他的建筑材料的使用量，同时轻型钢结构能大大降低自身重力，节省建设资金。 　　2.2.2一般情况下，无需打桩，工期短，投资少。由于轻型钢结构厂房自重轻，且工艺荷载小，通常情况下只用柱下的天然地基基础就可满足承载的要求。因此，可大大缩短建设的周期。 　　2.2.3同时轻钢结构具有普通钢结构抗震性能好的优点。钢材是延性材料，所以抗震性能好。另外大部分的钢结构杆件都在工厂制造加工，检测手段完善，且加工质量有保障。 　　2.2.4结构布置灵活 ，可满足不同功能的要求。 　　3、轻型钢结构厂房的设计实例 　　3.1、工程概况 　　某厂房总建筑面积19600m2,长144m,宽(34×4)m,为四跨双坡对称门式结构。主跨为34m,檐高8m,厂内无吊车。屋面活载为0.3kN/m2,恒载0.3kN/m2,基本风压0.55kN/m2,基本雪压0.3kN/m2,墙面恒载0.3kN/m2。该工程以焊接H型钢及圆钢管作为主要承力构件,外围护为彩色压型复合钢板,梁与梁及梁与柱之间采用高强螺栓连接,主刚架为工厂加工,焊缝为二级焊缝,其他均为三级。 　　3.2、柱网布置及结构立面 　　刚架间距对于主结构的用钢量影响很大。当柱距增大时,主结构所用钢量减少,但屋面及墙面所用钢量会随之增加,综合考虑这两方面因素及施工的便利性,最后取柱间距为8m。门式刚架轻钢结构不设伸缩缝的要求为纵向温度区段不大于300m,横向温度区段不大于150m,因此无须设置分割缝。屋面采用轻质材料的彩板代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板,并采用轻型彩板墙,使结构轻型化,简洁美观。刚架立面如图1所示。 　　 　　由于跨度大,梁上弯矩值较大,对钢材强度要求较高,故采用Q345钢材,与Q235钢材相比节省15%～20%。 　　3.3、内力计算及设计 　　根据现行GB500922001建筑荷载规范对恒载、活载及风载进行取值;根据CECS102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程及GB5001722003钢结构设计规范等规范对门式刚架进行参数控制及计算。 　　3.3.1变形控制 　　该工程轻型钢结构门式刚架采用轻型墙板作为围护结构,由于不设吊车,柱顶的水平位移与柱高的限值为L/60;门式刚架仅支承压型钢板屋面和冷弯薄壁型钢檩条,容许挠度限值为L/180。主要构件长细比限值为180。 　　3.3.2柱设计 　　根据边柱的内力包络图,选择边柱为焊接楔形H型柱。由于檐口较高,边柱的平面外应力过不去,在不影响使用功能的前提下,在柱上加设两道隅撑,解决了仅靠调大柱子截面方法来满足平面外应力的问题,节省了大量的钢材。 　　由于中柱太高且无平面外支撑,平面外稳定很难满足,变大柱子截面很不经济。所以选择了各个方向受力都比较均匀的圆管柱。 　　3.3.3梁设计 　　门式刚架构件当截面变化率大于60mm/m时,按不考虑截面抗剪屈曲后的强度来控制截面的高厚比;当由于这个条件出现不满足高厚比时,可以通过以下任一种方式来进行调整: 　　（1）调整截面高度变化,使截面高度变化率尽量满足不大于60mm的要求; 　　（2）加大腹板厚度,满足程序不考虑屈曲后强度对腹板高厚比限值的要求; 　　（3）设置横向加劲肋。 　　该工程在第一跨和第二跨之间由于梁的楔形变化率太大,假如将腹板加厚或是调整变化率则很不经济,因此采用在腹板上加横向加劲肋的方法;另外因为跨度较大,梁的挠度变形较大,假如只考虑在挠度变形的条件下进行设计,强度得不到充分利用,最后选择在每跨的中间起拱的方法,既解决梁的挠度变形过大,又节省了材料。 　　3.3.4屋面檩条设计 　　采用冷弯带直角卷边Z型钢,规格为Z180×70×20×2.0镀锌连续檩条。这样每延米较简支檩条节省钢量2.5kg左右,支座有弯矩起到调幅作用,同时也防止檩条的侧向失稳和扭转。由于檩条跨度为8m,在三分点处设置一道拉条,采用Φ12圆钢。另外为了增强整体稳定性,防止檩条下弦在风吸力作用下失稳,在屋背和檐口及中间部位设置了撑杆和斜拉条。 　　3.3.5节点设计 　　节点设计时既要考虑到传力明确、构造合理,梁有必要的延性,避免应力集中及产生过大的约束应力,同时又要考虑到制作安装方便、容易就位和调整。螺栓端板连接是在构件端部截面上焊接一平板,并用螺栓与另一构件的端板或翼缘相连接的一种形式。由于其具有上述优点,因此在轻钢结构门式刚架的结点应用中较为广泛。 　　 设计的步骤为:1)根据受力和构造要求选择连接形式并布置螺栓;2)计算螺栓所受拉力确定螺栓直径、端板厚度;3)验算构件腹板的局部强度;4)焊缝设计。为了便于工厂制作和现场安装,采用梁端部垂直于柱顶面的连接方式(见图2)。在节点设计时,对于采用高强螺栓的摩擦面，施工时保证其摩擦系数至关重要。 　　4、轻型钢结构厂房设计和施工中需要注意的问题 　　4.1、柱脚的设计安装方面 　　4.1.1预埋地脚螺栓与砼基础边距离过近时，容易损坏基础，因此在设计时应满足该距离的构造要求。同时，砼基础要保证达到设计强度后，方可组织刚架的吊装工作。 　　4.1.2设计时应注意抗剪键和抗剪槽的留设。如未留设抗剪键和抗剪槽，将使柱脚锚栓被动承受剪力。柱脚锚栓一般按承受拉力设计，计算时不考虑锚栓承受水平力。若未设置抗剪键，所有由侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力，几乎都有柱脚锚栓承担，从而破坏柱脚锚栓。 　　4.1.3柱脚底板与砼基础间空隙过小，将使得灌浆料难以填入或填实。一般二次灌料应该预留50mm空隙。 　　4.2、梁、柱连接的设计安装方面 　　4.2.1翼缘板与加厚或加宽连接板对接焊缝时，未按要求做成倾斜度的过渡。对接焊缝连接处，若焊件的宽度或厚度不同，且在同一侧相差4mm以上者，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5（1：4）的斜角。 　　4.2.2端板连接面制作粗燥，切割不平整，或与梁柱翼缘板焊接时控制不当，使端板翘曲变形，造成端板间接触面不吻合，连接螺栓不得力，从而满足不了该节点抗弯受拉、抗剪等结构性能。 　　4.3、檩条、支撑等构件的设计安装方面 　　4.3.1不能为了安装方便，随意增大、加长檩条或檩托板的螺栓孔径。檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度，有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。若檩条或檩托板孔径过大过长，隅撑就失去了应有的作用。 　　4.3.2不易将隅撑角钢与钢梁的腹板直接连接。当刚架受侧向力时，使腹板在该处局部受到侧向水平力作用，容易导致钢梁局部侧向失稳。 　　4.3.3有的工程所用檩条不注意防锈，造成工程尚未完工，檩条早已生锈。因此檩条作为厂房的次要构件，也应做好防锈处理。 　　5、结束语 　　综上所述，轻型钢结构厂房不但要满足厂房的使用要求，同时，还应该符合厂房的设计及施工方面的有关规定，做到既美观、实用又有良好的经济效果。 　　【参考文献】 　　[1]李星荣;魏才昂;丁峙崐;李和华:钢结构连接节点设计手册,2010. 　　[2]李春祥,黄金枝,金兢.高层钢结构抗风抗震控制若干问题探讨[J]. 振动与冲击,2010, 19(2).