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门式刚架轻钢厂房屋盖托架与吊车桁架的连体设计

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    （福州经济技术开发区建筑设计院）（福建省晋江市平盛钢结构工程有限公司） 陈晟 陈学秉 潘家清

    [提 要] 介绍门式刚架轻钢厂房有抽柱的工程中，将屋盖托架和吊车桁架进行连体设计的思路及计算和构造要领。
    [关键词] 门式刚架 托架 吊车桁架

    一、工程概况
    福建省晋江市平盛钢结构公司为扩大生产，调整厂区布局，新建一幢（21m+21m+26.44m）三跨门式刚架轻钢厂房。新厂房的第一、二跨纵长246m=144m，第三跨纵长116m=66m，总建筑面积7878m2（见图1），每跨各设两台5t单梁吊车。为了不影响生产，工程分两期进行：第一期，先建成第一、二跨，待其投产后拆除旧厂房；第二期，利用旧厂房的部分基础和上部构件加建第三跨。工艺要求在新厂房的两端第一个开间各抽去一个中柱，加大开间为12m。
    初步设计按常规作法把此跨吊车梁由6m改为12m，屋盖另加12m跨度托梁，两者分离设置。厂家也已加工好吊车梁。由于吊车梁下有2m的高度空间可利用，而吊车梁的H钢是按12m长度供货，正好是托梁的跨度。由此启发笔者，将屋盖托架和吊车桁架进行连体设计，组成跨度为12m高度为2m的双壁式箱形桁架（见图4，以下简称双壁桁架），可同时兼作吊车梁和托架。由于结构优化，构件断面能做得较小，节省了用钢量，还加大了刚度，受力性能更好了。

    二、结构计算
    主要验算以下三部分内容：
    1．门式刚架不同工况的计算
    计算采用同济大学编制的MTSteel v5.0软件。按厂房不同的部位及施工分步过程中可能出现的结构五种工况形式（见图1、2），对各种最不利内力组合情况进行强度、刚度、稳定性等验算。

    在计算模型中，双壁桁架作为上段柱的弹簧支座。弹簧刚度K＝R/Δ。Δ为支座Z向位移（即双壁桁架的实际挠度），R为支座Z向反力。
    从电算结果可看出：1)抽中柱后，门式刚架的横梁内力变化不大，但边柱的上段内力有增大；2）工况Ⅴ抽边柱后，边支座有较大的水平力。相当于半空中的双壁桁架承受了较大平面外水平推力和扭距，结构受力很不利，应避免出现。
    2．双壁桁架的计算
    双壁桁架同时承受屋盖荷载和吊车荷载，经综合考虑，采用双壁式箱形桁架形式。两片桁架上下弦平面各设置水平支撑桁架，双壁之间设置垂直横膈支撑，组成几何不变体系，且具有较大的整体刚度。这样上段柱传来的屋盖垂直力由两片桁架平均分担，而两侧吊车的竖向力则由两片桁架分别承担，避免了双壁桁架因承受两侧不平衡吊车荷载而受扭。
    据此，计算时可取单片桁架，即把空间桁架简化为受力明确的平面桁架（见图3）。吊车荷载应用影响线确定最不利布置。根据内力计算的结果，下弦杆截面采用2L70707。第一根斜腹杆受力较大，故采用与下弦杆相同截面。其余斜腹杆采用2L50505，直腹杆采用2L63636。变形验算结果桁架的最大挠度Δ=15mm，远小于规范限值[Δ] = L/400 = 30mm。

    3．纵向柱列加强的计算
    12m跨度双壁桁架两端支柱的纵向受力，比原6m柱距时增大。原柱断面已不能满足。经验算，并考虑柱列外观一致，下段柱改用与原柱相同截面高度的宽翼缘H钢。
    三、构造要领
    钢结构构造作法应与计算模型相适应，使之符合计算模型的假定。
    1．下降式桁架受集中力时，力作用在下弦节点最为可靠。通过在两片吊车桁架的下弦跨中节点处架立两根[10横向短杆，夹托住被抽中柱的上段柱，把屋盖集中荷载均分传至桁架的下弦节点。同时在上弦位置用2L404横向短杆与上弦杆焊接，使柱脚有近似2m高的固接，保证传力可靠（见图4）。
    2．图1中注1位置的刚架边柱在一期工程时，从两片吊车桁架中间穿过（见图4），但暂不与桁架焊接，这时门式刚架相当于工况Ⅱ，支座水平推力作用到基础。待二期工程建成第三跨，再把边柱和桁架焊接，然后割除下柱，这时门式刚架变成工况Ⅳ。通过采取这种措施避免了出现工况Ⅴ。
    3．利用原先已加工好的两跨6m连续吊车梁作为12m双壁桁架上弦杆。双壁桁架端部做个支托，作为邻跨6m吊车梁的支点，两者标高取平（见图5）。

    四、结语
    本工程设计及施工由福建省晋江市平盛钢结构工程有限公司完成。双壁桁架比初步设计分离设置的托梁和吊车梁节省用钢量达56%，同时还改善了受力性能，使结构更经济、更合理。这种设计方法可供类似工程和其它改扩建工程参考。

    参考文献
    1．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102:2002）．中国计划出版社，2003．
    2．钢结构设计规范（GB 50017-2003）．中国计划出版社，2003．
    3．MTS建筑钢结构辅助设计系统用户手册．同济大学MTS开发组，2004．

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