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钢结构房屋设计中需要注意的四个问题

日期:2018-08-15 09:06:43   人气:  

钢结构建筑是近些年来国内发展最为迅速的一种新型钢结构,钢结构建筑具有以下优势:①自重小;②施工周期短;③造价低,因而受到了广大建筑师、结构工程师的推崇。目前,钢结构建筑已经被广泛应用于各类工业厂房建设中,并取得了不错的社会效益和经济效益。钢结构建筑虽好,但由于目前国内系统地论述刚架轻钢结构设计的书籍比较缺乏,有些设计人员因初次接触此类结构,不熟悉设计规程、规范,对设计规程、规范理解不够全面,以致在设计中出现技术经济不合理现象,甚至造成安全隐患。故而,西安钢结构的小编查阅相关资料总结了关于钢结构房屋设计中需要注意的四个问题:

一、屋面支撑设计

门式刚架轻型房屋钢结构设置屋面支撑系统的目的是为了提高结构的整体刚度,发挥结构的空间作用,保证结构的几何稳定性,为刚架提供平面外可靠的支撑以减小刚架在平面外的计算长度,传递房屋纵向水平荷载以及保证施工安装时刚架的稳定和安全。因此,合理地设计屋面支撑对门式刚架轻钢结构房屋的质量和安全意义重大,是整个结构设计中一个重要的组成部分。门式刚架轻钢结构房屋应在横梁上翼缘平面设置横向水平支撑,以保证刚架横梁的侧向稳定。当山墙抗风柱上端支承于横梁上翼缘或下翼缘某些特定位置上时,横向水平支撑起着传递山墙纵向风荷载的作用。和普通钢结构厂房一样,屋面横向水平支撑可以设在温度区间端部第一个开间或第二个开间,当设在端部第二个开间时,在第一个开间的相应位置宜设置刚性系杆。有的设计人员在设计屋面横向水平支撑时,为了节约,不单独设置直腹杆,由屋面檩条兼作直腹杆。当山墙风荷载传来时,兼作直腹杆的檩条除了承受屋面活载(雪载)之外,同时还承受山墙风载引起的轴向压力,实际受力状态是一压弯构件。而一般的檩条是双向受弯构件,两者的强度条件是不同的。因此,设计中用檩条兼作直腹杆时,应经过验算,当檩条的承载能力以及长细比均满足要求方能兼作横向支撑中的直腹杆。否则,应加大檩条的截面尺寸,这一点应引起设计人员的注意。所以,实际工程中,也可采用檩条与直腹杆分开设置的方法,这样檩条只承受屋面荷载,风荷载引起的轴向压力由单独设置的直腹杆承受,既统一了檩条规格,又简化了计算。

屋面支撑设计中应注意的另一个问题是横向水平支撑直腹杆由檩条兼作时,除了承载能力和长细比满足要求外,该檩条的位置必须布置在横向水平支撑交叉斜杆的相交处。这是因为兼作直腹杆的檩条是横向水平支撑的组成部分,只有与支撑中的交叉斜杆一起构成三角形几何不变体后,才能起到刚架横梁侧向支点的作用。有些工程在屋面横向水平支撑设计时,斜杆按跨度等分设置,直腹杆用檩条兼作,但因檩条间距固定而未能将兼作直腹杆的檩条布置到支撑斜杆相交点上,不能与支撑斜杆组成几何不变体,因而起不到刚架横梁侧向支点的作用,设计中应避免出现这种情况。

二、山墙墙架设计

门式刚架轻钢结构房屋山墙可采用由斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架或门式刚架。当采用门式刚架时,连接构造与一般钢结构厂房相同。抗风柱顶通过弹簧钢板与刚架横梁上翼缘相连,风荷载通过屋面横向支撑传递给屋面系统。当采用斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架时,由于门式刚架轻型房屋钢结构技术规程未给出标准连接做法,具体构造由设计人员自行设计。有的工程在山墙墙架设计中将抗风柱与斜梁下翼缘相连,但未采取将风荷载传递给屋面横向水平支撑或系杆(当屋面横向支撑设于端部第二间时)的措施。当风荷载传来时,墙架斜梁除了承受抗风柱顶传来的侧向力以外,还承受侧向力引起的扭矩。当房屋的跨度及高度不大时,侧向力个数不多、数值不大,产生的扭矩相应较小。但房屋的跨度及高度较大时,侧向力的个数多、数值大,产生的扭矩对刚架斜梁的影响不能忽略。此时,墙架斜梁不单受弯,而且受扭。因此,当抗风柱与墙架斜梁下翼缘相连时,应在连接处设撑杆或者隅撑,隅撑一端与斜梁下翼缘相连,另一端与横向水平支撑中的直腹杆或系杆相连。将山墙风荷载通过屋面横向水平支撑传递给屋面系统,从而避免山墙墙架斜梁受扭。

此外,山墙是采用门式刚架还是采用山墙墙架,应根据工程的实际情况而定。山墙墙架因跨度小,斜梁及抗风柱的截面尺寸较小,比较经济,一般的轻钢结构房屋大多采用这种形式。但山墙采用墙架时,由于端部第二榀门式刚架横梁跨度及荷载均大于山墙墙架斜梁的跨度及荷载,其挠度也大于山墙墙架斜梁的挠度。随着跨度的增加,门式刚架横梁的挠度远大于山墙墙架斜梁的挠度。两者因变形相差较大,可能引起屋面开裂、渗漏,使雨水进入保温层,致使屋面板荷载增加而造成安全隐患。因此,从变形的角度看,当房屋跨度较大时,山墙采用门式刚架较为合理。

三、刚架计算

门式刚架属平面受力体系,其内力一般取单榀刚架按平面计算。刚架梁、柱的内力可按门式刚架计算公式进行计算,也可用专用计算软件电算。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定:结构构件的受拉强度按净截面计算,受压强度按有效截面计算,稳定性按有效截面计算,变形和各种稳定系数均按毛截面计算。所以,采用程序进行电算时,程序会提示设计人输入刚架净截面与毛截面的比值,并提供一个默认值。应注意的是这个比值并非不可改动的固定值,而是应按刚架与支撑的连接方式根据实际情况确定。如不修改比值,程序自动按默认值计算。当刚架的支撑与刚架都是通过焊于其上的网板相连接时,刚架上没有螺孔。刚架的毛截面即为净截面。输入的净截面与毛截面的比值应改为1,如不作更改,程序按默认值计算,实际上相当于降低了刚架所用钢材的设计强度,计算出的应力就偏高。反之,刚架开孔较多,净截面与毛截面的比值小于默认值,如计算中不对默认值加以修改,仍按默认值计算,计算出的应力就偏低。

四、基础设计

钢结构厂房的柱脚形式可分为铰接柱脚和刚接柱脚两种。对于铰接柱脚,基础仅受轴心荷载作用,设计相对比较简单。对门式刚架轻型钢结构来说,以下因素往往决定了基础的受力特点:

(1)厂房多带吊车,有时吊车吨位较大,横向水平位移难以控制,要求柱脚刚接;纵向水平荷载由柱间支撑承受,故柱脚多为铰接;

(2)由于钢结构自振周期较长,而结构自重较轻,水平地震作用相对较小。水平控制荷载多为风荷载加吊车水平制动荷载;

(3)结构重量轻,风荷载和吊车水平制动荷载相对较大,造成基础偏心距/较大,一般最大偏心距可达1.5m~2.0m左右;

(4)门式刚架轻型钢结构厂房单层或单层带夹层,基础多采用单独基础,而且埋深较浅;

由于以上受力特点,对于吊车的工业厂房,工程中常采用刚性柱脚,该柱脚形式可以提高厂房的整体刚度,从而减少侧移。但这样一来,基础一般作用有较大的弯矩。这个问题在门式刚架轻钢结构体系中尤为明显。由于自重轻,水平荷载与竖向荷载比值较大,在风荷载及吊车荷载的共同作用下,厂房边列柱柱脚荷载偏心距较大。根据大量工程表明,偏心距一般在1.0m左右,有时甚至更大。根据以上分析,按常规的单独基础设计,基础的宽度将会很大,这在实际工程中是难以接受的。鉴于以上这种情况可以采用以下方法加以解决:

(1)增加基础压重:

厂房设底部加重墙,一般为粘土砖,并使其重量通过地基梁传到基础并增加基础埋深。增加基础埋深对基础设计来说,变化有两个,其一使考虑深度修正后的地基承载力设计值增大,但这对受偏心距控制的基础来说无关紧要;其二是基础底面以上压重增大,这对降低偏心距来说是有利的。实际工程中要通过增加基础埋深来降低偏心距可以有两种做法,一是保持底标高不变,即通过增加混凝土基础的高度来实现。显然用这种办法来增加G并非经济之举,并且增加同时会增大由柱脚水平剪力V引起的附加弯矩Vxh。另一种做法是降低柱底标高而使h不变,仅该方法使刚架柱长度加大,就会使柱脚的反力增加特别是弯矩值,同时使刚架用钢量和工程量增加。

所以,通过增加基础埋深来降低偏心距e的做法,在e的一定的范围内是有效的,而超出一定范围后将会起到负面效应,在设计中要综合考虑,全面衡量。

(2)采用偏心基础:

此方法只适用于偏心距e较小的情况下,其原理就是使基础本身受力偏心,相当于针对较大的弯矩,增加一个反向的弯矩M′=Ne,使基础满足设计要求。此种基础形式在工程中较少采用,若吊车吨位不太大,一般可以考虑采用柱下偏心基础形式。但此时为保证基础不致过分倾斜,基础与基底土接触不脱离。

(3)采用桩基础:

对于过大偏心距的基础,当采用以上方法不能解决基础过大侧移问题时,可以考虑采用桩基础。常用的桩种类较多,如灌注桩或预制钢筋混凝土桩。但采用桩基不仅增加了设计施工的复杂性,而且造价往往较高,因而是门式刚架轻型钢结构厂房基础设计中最后不得已采用的基础形式。

依据标准:

[1]工程建设推荐性标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程))CECSl02:2002

[2]国家标准《钢结构设计规范》GB50017—2003


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