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門式剛架輕鋼廠房屋蓋托架與吊車桁架的連體設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    陳晟 陳學秉 潘家清

    [提 要] 介紹門式剛架輕鋼廠房有抽柱的工程中，將屋蓋托架和吊車桁架進行連體設計的思路及計算和構造要領。
    [關鍵詞] 門式剛架 托架 吊車桁架
    一、工程概況
           福建省晉江市平盛鋼結構公司為擴大生產，調整廠區布局，新建一幢（21m+21m+26.44m）三跨門式剛架輕鋼廠房。新廠房的第一、二跨縱長246m=144m，第三跨縱長116m=66m，總建筑面積7878m2（見圖1），每跨各設兩臺5t單梁吊車。為了不影響生產，工程分兩期進行：第一期，先建成第一、二跨，待其投產后拆除舊廠房；第二期，利用舊廠房的部分基礎和上部構件加建第三跨。工藝要求在新廠房的兩端第一個開間各抽去一個中柱，加大開間為12m。
           初步設計按常規作法把此跨吊車梁由6m改為12m，屋蓋另加12m跨度托梁，兩者分離設置。廠家也已加工好吊車梁。由于吊車梁下有2m的高度空間可利用，而吊車梁的H鋼是按12m長度供貨，正好是托梁的跨度。由此啟發筆者，將屋蓋托架和吊車桁架進行連體設計，組成跨度為12m高度為2m的雙壁式箱形桁架（見圖4，以下簡稱雙壁桁架），可同時兼作吊車梁和托架。由于結構優化，構件斷面能做得較小，節省了用鋼量，還加大了剛度，受力性能更好了。

    二、結構計算
           主要驗算以下三部分內容：
           1．門式剛架不同工況的計算
           計算采用同濟大學編制的MTSteel v5.0軟件。按廠房不同的部位及施工分步過程中可能出現的結構五種工況形式（見圖1、2），對各種最不利內力組合情況進行強度、剛度、穩定性等驗算

           在計算模型中，雙壁桁架作為上段柱的彈簧支座。彈簧剛度K＝R/Δ。Δ為支座Z向位移（即雙壁桁架的實際撓度），R為支座Z向反力。
           從電算結果可看出：1)抽中柱后，門式剛架的橫梁內力變化不大，但邊柱的上段內力有增大；2）工況Ⅴ抽邊柱后，邊支座有較大的水平力。相當于半空中的雙壁桁架承受了較大平面外水平推力和扭距，結構受力很不利，應避免出現。
           2．雙壁桁架的計算
           雙壁桁架同時承受屋蓋荷載和吊車荷載，經綜合考慮，采用雙壁式箱形桁架形式。兩片桁架上下弦平面各設置水平支撐桁架，雙壁之間設置垂直橫膈支撐，組成幾何不變體系，且具有較大的整體剛度。這樣上段柱傳來的屋蓋垂直力由兩片桁架平均分擔，而兩側吊車的豎向力則由兩片桁架分別承擔，避免了雙壁桁架因承受兩側不平衡吊車荷載而受扭。
           據此，計算時可取單片桁架，即把空間桁架簡化為受力明確的平面桁架（見圖3）。吊車荷載應用影響線確定最不利布置。根據內力計算的結果，下弦桿截面采用2L70707。第一根斜腹桿受力較大，故采用與下弦桿相同截面。其余斜腹桿采用2L50505，直腹桿采用2L63636。變形驗算結果桁架的最大撓度Δ=15mm，遠小于規范限值[Δ] = L/400 = 30mm。

           3．縱向柱列加強的計算
           12m跨度雙壁桁架兩端支柱的縱向受力，比原6m柱距時增大。原柱斷面已不能滿足。經驗算，并考慮柱列外觀一致，下段柱改用與原柱相同截面高度的寬翼緣H鋼。
    三、構造要領
           鋼結構構造作法應與計算模型相適應，使之符合計算模型的假定。
           1．下降式桁架受集中力時，力作用在下弦節點最為可靠。通過在兩片吊車桁架的下弦跨中節點處架立兩根[10橫向短桿，夾托住被抽中柱的上段柱，把屋蓋集中荷載均分傳至桁架的下弦節點。同時在上弦位置用2L404橫向短桿與上弦桿焊接，使柱腳有近似2m高的固接，保證傳力可靠（見圖4）。
           2．圖1中注1位置的剛架邊柱在一期工程時，從兩片吊車桁架中間穿過（見圖4），但暫不與桁架焊接，這時門式剛架相當于工況Ⅱ，支座水平推力作用到基礎。待二期工程建成第三跨，再把邊柱和桁架焊接，然后割除下柱，這時門式剛架變成工況Ⅳ。通過采取這種措施避免了出現工況Ⅴ。
           3．利用原先已加工好的兩跨6m連續吊車梁作為12m雙壁桁架上弦桿。雙壁桁架端部做個支托，作為鄰跨6m吊車梁的支點，兩者標高取平（見圖5）。

    四、結語
           本工程設計及施工由福建省晉江市平盛鋼結構工程有限公司完成。雙壁桁架比初步設計分離設置的托梁和吊車梁節省用鋼量達56%，同時還改善了受力性能，使結構更經濟、更合理。這種設計方法可供類似工程和其它改擴建工程參考。

    參考文獻
           1．門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS 102:2002）．中國計劃出版社，2003．
           2．鋼結構設計規范（GB 50017-2003）．中國計劃出版社，2003．
           3．MTS建筑鋼結構輔助設計系統用戶手冊．同濟大學MTS開發組，2004．

           （陳 晟 陳學秉 福州經濟技術開發區建筑設計院）（潘家清 福建省晉江市平盛鋼結構工程有限公司）
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