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单层工业厂房门式刚架应用领域及设计要点
摘要:随着科技的进步,新型材料应用越来越广泛,轻钢结构也大量涌现,尤其是轻型门式钢架结构在单层工业厂房得到了广泛的应用。这种轻钢结构倍受青睐,在某些方面基本取代了钢筋混凝土排架结构。门式钢架从设计、制作、拼装均已形成一体化。通过这几年的工程实践,证明门式钢架具有很大的优势,具有广阔的发展前景,探讨门式钢架在单层工业厂房具有重要的意义和价值。
关键词:钢架、设计、应用
中图分类号:TU328文献标识码:A文章编号:
一、门式钢架的特点
1、门式钢架能满足高大厂房的要求建筑钢材强度高,塑性及韧性好,其密度与强度的比值远小于混凝土、砖石和木材,在同样受力情况下钢结构自重轻,能适用于跨度大、高度高和承载重的结构,满足某些高大工业厂房的要求,现在人类已具有建造跨度超过1000m的超大跨度结构和高度4000m的超高层建筑的能力。
2、工厂化程度高,施工周期短钢结构制作简便,因门式钢架的梁、柱等基本构件均在加工厂定型制作,在现场按要求拼装而成,加快了施工进度,建设周期缩短,比钢筋混凝土排架结构工期至少缩短60%以上,对于一般规模较小的工业厂房门式钢架仅需50天至2个月,而采用钢筋混凝土排架结构,则需10~12个月。
3、门式钢架耐久性差未涂装的钢材长期暴露在外,在自然环境的侵蚀下会锈蚀,导致其自身承载能力下降,使用寿命缩短。因此在设计和施工中要解决钢结构涂装的问题,可以在其表面涂敷防腐涂料,使其在钢材表面结成一层薄膜来保护钢结构。目前的主要做法是先刷红丹防锈底漆两度,钢结构安装调整后再刷面漆两度。
4、门式钢架的防火钢结构具有独特的优越性,钢材虽非燃烧材料,却易导热,其耐火极限仅为15~20分钟。未加防火保护的钢结构,当温度达到350℃、500℃、600℃时,其强度分别降低1/3、1/2、2/3,当结构温度达到600℃以上时,将完全丧失承载能力,最典型的例子莫过于2001年的美国纽约世界贸易大厦遭袭击后引起高温燃烧,两幢420m高的钢结构大楼轰然倒塌。现阶段主要从防火设计和对结构的防火保护措施两方面入手,可在柱、梁表面覆盖以1.5cm厚的LG防火隔热涂料或2cm厚的LY防火隔热涂料保护层,其耐火时间可达1.5~2.3小时,满足规范要求。
二、门式钢架的设计
对于变截面门式钢架,可以利用弹性力学理论求解各种内力,仅仅在钢架的梁柱全部为等截面时才能够利用塑性分析方法。变截面门式钢架的内力一般利用杆系单元的有限元法(直接刚度法)编制相应的程序在计算机上进行优化计算。地震作用的效应可以利用底部剪力法进行分析。按照不同荷载组合下的内力分析结果,发现控制截面的内力组合,控制截面的位置通常情况下在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、粱跨中等截面。侧移计算方法如下:变截面门式钢架的柱顶侧移可以利用弹性力学的理论计算,计算时荷载可以选取标准值,不考虑荷载分项系数。当最后验算时钢架的侧移刚度不符合要求时,需要应用下列手段进行调整:放大柱或梁的截面尺寸,把铰接柱脚转换为刚接柱脚。5.支撑体系、檩条、墙梁及计算分析支撑设置的基本原则的主要依据是《门规》4.5.2条,支撑主要有两种情况:如果没有吊车时,支撑体系可以利用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。可以选取花篮螺栓,尽管较圆钢支撑端部用螺母张紧的方式提高少量费用,然而可以较好地消除由于支撑松弛导致的负面影响;当选用5t以上起重量的桥式吊车时,柱间可以利用刚性支撑,然而在温度区段端部吊车以下最好不采用柱间的刚性支撑。计算过程中必须注意平面外计算长度的问题,一般而言梁和边柱的平面外计算长度取决于受压翼缘的隅撑间距,中柱的计算长度取决于柱间系杆距离。而中柱设置系杆通常情况下受到厂房使用功能的制约,在允许的条件下,梁柱截面尽可能不要通过平面外稳定控制,否则设计容易产生浪费。在某些屋脊处有通风气楼的厂房,通常不设置檩条,可以设置相应的压杆从而能够降低平面外计算长度。实腹式檩条的计算可以根据《门规》6.3.7来进行,可以分为两种情况,即屋面能阻止和不能阻止檩条侧向位移和扭转。拉条的布置可以依据《门规》6.3.6条。而对拉条的位置最佳的设计方法是设置双层拉条,然而习惯做法是仅在檩条的上翼缘临近处设置拉条。当檩条在风吸力组合作用下下翼缘处于受压状态时,可以进行稳定计算验证。这种情况下檩条下翼缘侧向计算长度可以利用跨度进行。墙梁的计算公式依据《门规》6.4.4条,墙梁拉条的布置依据《门规》6.4.13条进行。当利用扣合式屋面时,屋面板无法成为檩条的侧向支撑,檩条必须按照各种不同的情况分别依据不同的方法计算分析。“门规”对不同情况做了非常详细的规定,设计中应该给予关注。
三、门式钢架的综合经济效益
1、建设成本低
因为
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