帶夾層門式剛架優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 娜

(山西建筑工程有限公司,山西 太原 030000)

帶夾層門式剛架優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 娜

(山西建筑工程有限公司,山西 太原 030000)

結(jié)合工程實(shí)例，分析了不同柱距對帶夾層門式剛架經(jīng)濟(jì)性的影響，通過主剛架及圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化達(dá)到降低用鋼量的目的，對優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了合理性建議。

夾層，門式剛架，PKPM系列軟件，柱網(wǎng)布置，優(yōu)化設(shè)計(jì)

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是目前工業(yè)廠房普遍采用的結(jié)構(gòu)形式，目前很多廠房趨向大型化、多功能化，設(shè)置操作平臺或辦公夾層，使得廠房內(nèi)空間得到了充分利用，帶有夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)成為常見的結(jié)構(gòu)形式。目前，帶夾層門式剛架的條文規(guī)范還未明確出臺，設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計(jì)算分析，并在參數(shù)輸入、構(gòu)件選擇、支撐布置位置及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面采取具體措施，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。本文結(jié)合工程實(shí)例，通過PKPM軟件分析不同柱網(wǎng)布置，優(yōu)化截面等方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出合理性建議。

1 工程概況

本工程為山西省晉中市某一廠房，結(jié)構(gòu)型式為門式剛架，三聯(lián)跨跨度24 m×3，橫向長度54 m，第一跨有夾層，夾層一層為5.4 m,二層4.2 m,檐口高度為9.6 m。建筑物總高度為10.38 m，室內(nèi)外高差為0.30 m。該廠房建筑面積5 260 m2。基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。抗震設(shè)防烈度：8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2；基本雪壓：0.40 kN/m2；屋面恒載：0.3 kN/m2；屋面活載：0.5 kN/m2。夾層樓面恒荷載：1.5 kN/m2，夾層樓面活荷載：3.5 kN/m2，廠房內(nèi)設(shè)有一臺梁式吊車，額定起重量均為5 t；梁式吊車最大輪壓Pmax=35.0 kN，最小輪壓Pmin=5.0 kN。本工程主剛架材質(zhì)為Q345，其附屬構(gòu)件材質(zhì)為Q235B，柱腳均剛接。

2 不同柱距對其經(jīng)濟(jì)性的影響

在門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)建筑使用功能進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置，然后再考慮其經(jīng)濟(jì)性。柱距分別為6 m(共10榀剛架)，8 m(兩端7.5 m柱距兩跨，共8榀剛架)，9 m(共7榀剛架)。6 m柱距時(shí)夾層下柱間距為12 m(見圖1)；8 m，9 m柱距時(shí)對應(yīng)夾層下柱間距為8 m(見圖2)。柱距6 m，8 m，9 m對應(yīng)的主剛架用鋼量分別是：49.56 t/m2，42.76 t/m2，41.18 t/m2。GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范中建議跨度采用12 m～48 m，柱距采用6 m～9 m。從以上數(shù)據(jù)及規(guī)范要求可知，合理柱距的選擇是工程的實(shí)際造價(jià)的主要影響因素。柱距的增大對增加單榀剛架及檁條的截面面積有一定影響，但是結(jié)構(gòu)面積不變的情況下，柱距增大意味著剛架總榀數(shù)減少了，最終主鋼用量則會降低。故對結(jié)構(gòu)面積不變的門式剛架房屋，最優(yōu)的柱距及最優(yōu)柱距范圍是必然存在的。故可得出對于該工程，從建筑空間的合理化利用以及用鋼量得出最優(yōu)柱距范圍是9 m。

3 最優(yōu)化截面的選擇

結(jié)構(gòu)形式確定后，模型建立需要先確定構(gòu)件的截面尺寸。構(gòu)件截面選取通常是參考相同工程或者初選截面，必須滿足各板件尺寸的基本構(gòu)造要求，局部和整體穩(wěn)定滿足的情況下確定構(gòu)件的長細(xì)比以及寬厚比。初選截面時(shí)，門式剛架結(jié)構(gòu)橫梁和柱的構(gòu)造要求：實(shí)腹式橫梁高度選取范圍為跨度的1/30～1/45；門剛柱的截面高度和柱高之比選取范圍為1/12～1/28，柱頂和梁端處可根據(jù)剛架跨度的1/30～1/34來預(yù)估截面的最大高度。

帶夾層門式剛架在荷載不大的情況下常常采用實(shí)腹式梁和柱，門剛梁柱的截面隨內(nèi)力變化而變化，一般由其撓度控制截面尺寸，而不是由強(qiáng)度控制。截面輸入計(jì)算后進(jìn)行最優(yōu)化截面，截面尺寸大小根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力變化來相應(yīng)調(diào)整，最優(yōu)化的截面大小的最終確定則是通過多次反復(fù)測算得到。這種最優(yōu)化方法計(jì)算量不大且可以人工控制截面優(yōu)化范圍。在門剛構(gòu)件受力過程中，剪力主要由腹板承受，彎矩由翼緣承受，構(gòu)件的平面外穩(wěn)定性問題一般是通過設(shè)計(jì)隅撐來實(shí)現(xiàn)。若無振動荷載，構(gòu)件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性通過利用腹板的屈曲強(qiáng)度來決定，通常構(gòu)件設(shè)計(jì)成高而窄的截面，跨度取最小截面高度的45倍～60倍，截面的高是其寬的3倍～5倍。增強(qiáng)帶夾層門式剛架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的措施有：1)多跨度結(jié)構(gòu)中的中柱宜設(shè)柱間支撐，分擔(dān)部分傳至基礎(chǔ)的縱向水平荷載，屋面設(shè)置橫向水平支撐及十字交叉圓鋼組成的豎向支撐形成桁架體系，具有中間支座功能，大大降低了支撐桿件的內(nèi)力。2)在屋脊和柱頂設(shè)置剛性系桿，有時(shí)型鋼檁條亦可兼作剛性系桿。3)跨度較大或風(fēng)載較大時(shí)，支撐體系宜多設(shè)幾道，此部分的用鋼量很小，但對整個(gè)結(jié)構(gòu)非常有利。

優(yōu)化設(shè)計(jì)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是不可或缺的一部分。雙向受彎的檁條和墻梁通常采用冷彎薄壁型鋼，對彎矩影響較大的因素是截面高度。為了用鋼量最省，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下壁薄高度大的檁條和墻梁成為首選,達(dá)到了最優(yōu)化設(shè)計(jì)和較好的經(jīng)濟(jì)效益的目的。為了避免施工單位用電鍍檁條生銹的情況發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)檁條要提出宜采用熱鍍鋅帶鋼壓制而成的翼緣并注明鍍鋅量要求,以杜絕不必要的二次裝修浪費(fèi)。連續(xù)形式的檁條設(shè)計(jì)，對用鋼量起到了明顯的減少作用。根據(jù)三維計(jì)算模型分析，檁條設(shè)計(jì)成多跨連續(xù)布置比單跨簡支布置受力性能更加有利，對鋼材量節(jié)省起到了很大作用，故多跨連續(xù)檁條是檁條布置更合適的布置方式，唯一不足就是多跨連續(xù)檁條的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更復(fù)雜一些。多跨連續(xù)檁條的彎矩是支座截面處大于跨中截面處，在實(shí)際工程中，多跨連續(xù)檁條的搭接方式一般在支點(diǎn)處采取嵌套搭接，根據(jù)計(jì)算確定搭接長度，在支座處的嵌套搭接使得檁條具有雙檁條的承受能力，材料得到了充分利用。通常情況下屋面或墻面采用壓型鋼板,其厚度不小于4 mm，考慮電氣防雷，一般厚度不小于6 mm。壓型鋼板應(yīng)按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50018冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和構(gòu)造。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)帶夾層門式剛架應(yīng)考慮變化方案，簡化結(jié)構(gòu)傳力模式和傳力途徑，深入分析結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的受力機(jī)理，并整體考慮各部分的相互影響，做到大處節(jié)省，桿件節(jié)點(diǎn)適當(dāng)加強(qiáng)，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

[1] GB 51022—2015,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] 晉娟茹，夏緒勇.帶夾層的門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2014,6(2)：36.

[5] 冷晶明.探尋門式剛架的最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程科技，2014(6):156.

[6] 尹永青.門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)體會[J].山西建筑，2013,39(30):38-39.

[7] 陳 斌.淺談門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].江西建材，2015(11):39-41.

Discussionongabledframestructurewithmezzanine

LiNa

(ShanxiConstructionEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030000,China)

Combining with the engineering example, analysis of the different column spacing of gabled frame structure with mezzanine economic influences, through the optimization sections of main gabled frame structure and enclosure structure reduce the amount of steel, put forward reasonable suggestions on optimization design.

mezzanine, portal frame, PKPM series software, column layout, optimal design

2017-10-01

李 娜(1982- )，女，碩士，工程師

1009-6825(2017)35-0034-02

TU318

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