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轻钢结构厂房设计施工中某些问题的探讨

作者：王 希 春    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
通过工程实例，详细探讨了一般轻钢结构厂房的结构分析、节点设计、支撑体系、刚架柱脚及檩条设计、制造、安装方法，表明轻钢结构在工业厂房中的应用有其优越性。

    关键词：轻钢结构 结构设计 施工

    1.工程概况及结构布置
    沈阳远大铝业有限公司国际铝业加工中心厂房工程，总建筑面积为17920?,长280m，宽64m,为两跨对称门式刚架轻钢结构，每跨跨度为32m,柱距为7.5m,有两台3t轻型工作制电动单梁吊车。刚架及边柱采用焊接变高度H型截面，刚架中柱采用等高度H型截面，刚架梁及刚架梁柱间均采用高强度螺栓连接。
    由于门式刚架轻钢结构不设伸缩缝的要求为：纵向温度区段长度不大于300m,横向温度区段不大于150m,因此本工程无须设置伸缩缝。屋面采用轻质材料如压型钢板、夹芯板等代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板，并采用轻型墙体材料使结构轻型化。
    1.钢结构分析
    取图1刚架计算。

    1.1计算参数
    恒载（考虑双层彩板和檩条）取2.0kN/m,活载取活荷载与雪荷载的较大值3.7kN/m,风载按基本风压及荷载规范的体型系数取用，计算吊车荷载效应时考虑吊车轮压的最不利位置，弹性模量E=206×10 MPa，泊松系数 =0.3.刚架钢材为Q345，采用摩擦型高强度10.9级螺栓。
    1.2计算方法
    计算使用中国建筑科学研究院编制的钢结构软件STS。
    1.3计算控制因素
    1）变形限制
    轻型钢结构门式刚架，当采用轻型墙板作为围护结构时，柱顶的水平位移与柱高的比值；设有由地面操纵的吊车时柱顶位移限值为1/180.仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的门式刚架斜梁容许挠度为L/180（L为受弯构件的跨度）
    2）截面参数控制
    门式刚架梁的最小高度与其跨度之比，对实腹梁可取为1/30-1/45.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）规定：工字型截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与

    1.4 计算及结果
    按上述计算参数及控制因素初选截面代入程序计算，并对构件进行截面验算，验算时应注意计算长度的取值。刚架平面内柱计算长度系数应根据刚架柱与基础的连接方式及截面形式按“规程”（CECS102:2002）相应的表格取用；在刚架平面外，实腹式刚架梁和柱的计算长度，应取侧向支承点间的距离，当梁（柱）受压翼缘的侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离（在确保安全可靠的前提下，选择侧向支承点时，应注意使刚架截面不由刚架平面外稳定计算控制设计）。根据验算结果对杆件截面进行调整优化，使得截面变化与弯矩大小尽可能趋于一致。
    经计算，得出刚架各构件的截面尺寸（表1）。

    由表1中截面尺寸可看出，由于刚架跨度较大，其弯矩变化也较大，在梁截面高度变化的同时，将中部构件腹板及翼缘厚度也作了相应减小，达到了经济选材的目的。
    2.刚架设计
    2.1刚架节点设计
    门式刚架节点设计时既要考虑到传力机制明确，构造合理，具有必要的延性，避免应力集中及产生过大的约束应力，同时也要考虑到制作、安装方便，容易就位和调整。螺栓端板连接的设计步骤通常是：1）根据受力和构造要求选择连接方式并布置螺栓；2）计算螺栓所受拉力并确定螺栓直径；3）确定端板厚度；4）验算构件腹板的局部强度；5）焊缝设计。由于端板连接是半刚性连接，如节点弯矩过大会使其失效，因此设计时应有足够的安全储备，特别是边柱和斜梁连接处。
    门式刚架横梁与柱的连接有端板竖放、斜放、平放等方式，端板的厚度由计算确定，但不宜小于16ｍｍ。端板过薄，不满足所需要的强度和刚度要求，设计中应首先考虑增加端板的厚度。如果增加端板厚度很不经济或者厚度很大时则考虑采用加劲肋。不过采取这种形式一定要注意满足高强螺栓的安装间距要求。高强螺栓的施工大都采用电动扳手，不同规格、类别（如大六角型和扭剪型）的高强螺栓所需要的安装间距基本相同，如果间距过小，则不便于使用电动扳手进行操作。
    《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）第7.2.5条规定：螺栓中心至翼缘板表面的距离应满足拧紧螺栓的施工要求，不宜小于35mm。此值是根据电动扳手套筒的外径得来的。在没有侧向板件（H型钢的翼缘和腹板）约束情况下可以满足要求，但是由于有侧向板件的约束，螺栓与侧向约束的距离必须大于电动扳手本身的外径，才能保证电动扳手与端板垂直，从而将螺栓拧紧。如YJ-A24型电动扳手外径为120 mm.螺栓与腹板或翼缘板的边距必须大于60 mm方可施工。在设计中要根据具体条件充分考虑施工的要求，不要盲目认为只要不小于35 mm就行了。另外，由于端板焊接加劲肋的焊缝过多，会加重端板的角变形，引起端板不平，增加了矫正的工作量，而且矫正的效果不一定很好，影响构件的使用功能。本工程刚架各节点大样见图2.

    2.2 刚架柱脚设计
    门式刚架柱脚有铰接和刚接两种，其中刚接柱脚一般用于大吨位吊车的结构中。由于在门式刚架中，基础除了承受由柱传来的竖向荷载外还要承受由风载等产生的水平荷载作用，水平荷载通过柱脚底板与基础混凝土之间的摩擦力传给基础。在铰接柱脚中，在满足基础混凝土端面承压后，有时柱脚与基础之间的摩擦力不足以抵抗由风载产生的水平力而使螺栓受剪，而柱脚螺栓一般不允许承受剪力。因此，有些设计者为增大摩擦力而增大了柱脚底板尺寸，但是增大柱脚底板尺寸不能增大摩擦力。正确的做法是增加抗剪键，抗剪键通常用型钢或钢管制作。本工程刚架柱脚采用平板式柱脚，这种柱脚形式构造简单，便于现场安装，且计算模式也较简单，在无大吨位吊车的轻钢厂房设计中被广泛采用。
    2.3 支撑体系设计
    本工程的屋面和柱间支撑主要采用由张紧的圆钢组成的柔性支承，系杆设计成压杆，采用焊接圆钢管（若吊车荷载较大则下柱支撑应设计成刚性支承）,支撑系统的计算简图见图3。通过计算，交叉支撑SR1、ZC2选用∮22圆钢ZC1选用∮25圆钢，系杆LL1选用∮121×3.0焊接管，LL2、LL3选用∮140×3.5焊接管。布置时将支撑布置在靠近翼缘一侧，以减小连接处腹板的局部变形，有利于侧向支点的刚度贡献。


    2.4 屋面体系和围护结构设计
    屋面设计包括檩条、支撑系统、围护结构及屋面采光通风的设计。由于压型钢板屋面的特殊性——易漏雨，因此，在屋面通风设计中要尽量将洞口开在屋脊处。如果根据工艺要求必须在坡面上开洞时，要采取严格的防水措施。特别是迎水面，最好选用柔性的防水盖片，尽量避免采用刚性防水，同时做好迎水面的排水设计，使迎水面不积水。
    采光设计应优先采用带有防老化膜的与屋面板波形一致的玻璃钢采光带，由于采光带与屋面板波形一致，防水问题能够得到较好的处理。有些设计者为了追求立面的变化而将采光设计成采光罩，这样便增大了屋面漏雨的概率。
    门式刚架的屋面由于采用轻质材料，一般都采用冷弯型钢檩条，常用的有卷边C型和卷边Z型。这种檩条用钢量省、制作方便，但侧向刚度小，设计时要考虑檩条施工时的整体稳定。
    设置屋面檩条之间的拉条是控制檩条侧向失稳的重要措施,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）第6.3.5条规定：檩条跨度大于4m，宜在檩条间跨中设置拉条或撑杆；跨度大于6m，应在檩条跨度三分点处各设置一道拉条或撑杆，在屋脊处还应设置斜拉条和撑杆。斜拉条和撑杆一起构成了屋面系统的结构体系。在单跨刚架设计中，根据规范设置斜拉条和撑杆是可以的，但如果对多跨双坡屋面只在屋脊处设置斜拉条和撑杆则有些不妥，原因是在拉杆的施工中，过长的屋面使拉杆不易拉紧。最好在每一柱列处均设置斜拉条和撑杆。在设计时要考虑由于檩条的板件很薄，拉条容易将檩条壁拉变形，在屋面拉条没有形成整体之前，拉条并不能约束檩条的扭转，因此拉条与檩条的连接宜采用两侧带螺母同时加垫片的方式，见图4a，屋脊檩条连接宜采用槽钢或角钢，这样可以形成较大的空间刚度，如图4b。

    本工程檩条采用斜卷边Z形冷弯型钢，规格为Z250X2.2，按连续实腹式檩条计算，檩条搭接长度取为1m，搭接处两端及中间均用M14螺栓连接。由于跨度7.5m。按“规程”（CECS102:2002）要求在檩条跨度三分处各设置一道拉条，拉条采用∮12圆钢，设置在离檩条上、下翼缘1/3腹板高度处。
    3.施工中的问题
    3.1 H型钢施工过程中的变形控制
    门式刚架所用的板件很薄，对薄板的下料应首选剪切方式而避免用火焰切割。因为用火焰切割会使板边产生很大波浪变形。
    目前H型钢的焊接大多数厂家均采用埋弧自动焊或半自动焊。如果控制不好易烧伤母材，产生咬边、塌陷、烧穿等缺陷，易发生焊接变形，使构件弯曲或扭曲。翼缘的角变形可以用H型钢矫直机进行矫正，但侧弯和扭曲却很难用设备进行矫正，目前大多数厂家仍然用火焰矫正，费工费时，效率很低。因此焊接时必须严格控制输热量，控制焊缝的高度，正确使用焊接夹具，采用正确的焊接顺序，尽量减小构件的变形。
    3.2 梁端板不平或倾斜
    梁端板不平或倾斜在门式刚架中几乎成了一种通病，由于在门式刚架中梁一般都是变截面，端板既不垂直上翼缘，也不垂直下翼缘，端板不宜定位。在施工中最好用专门制造的卡尺测量，以确保端板的角度正确，另外，由于端板与梁的焊接会造成端板的角变形，因此，要严格控制焊接的工艺参数，尽量采用3.2mm的小焊条或CO2气体保护焊，矫正时要画好烤枪的行走区域。
    3.3 檩条在施工过程中的变形
    制作檩条的钢板其厚度一般在2-3mm之间，在屋面的支撑系统没有形成之前，檩条自身的刚度较差，因此要控制施工过程的荷载。主要是在安装拉条时控制活荷载。在安装拉条时，一般是两个人分别骑在的两根檩条上然后将拉条拧紧。虽然檩条的设计考虑了1KN的施工荷载，但往往设计人员将1KN的施工荷载放在拉条形成之后考虑。因此，经常发生檩条提前失稳的现象。在实际施工中，要采取科学的施工方法，如搭设可移动的平台安装拉条;采取合理的施工顺序，如从屋脊处向两边安装，先在地面上涂刷油漆和防火涂料等，以减小施工荷载。
    3.4运输、吊装时的变形
    轻钢构件在运输和吊装时容易变形，因此要采取措施避免由于运输和吊装的不合理而对构件造成损伤。如钢结构在运输时宜在下方用方木垫起，绑扎牢固，吊装和绑扎时要注意对油漆的保护，并减少构件的倒运次数等。
    4.结 语
    轻型钢结构体系由于用钢量少，设计安装时间短，工业化生产程度高，因此在现代建筑，特别是厂房、仓库等大跨度结构中将得到更广泛的应用。
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