摘 要：本文以內(nèi)蒙古一煤場集運(yùn)站工程為例，介紹了跨度為53.5m的多連跨門式剛架結(jié)構(gòu)形式的選型及設(shè)計(jì)思路，以及在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)要點(diǎn)，對大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行一些探討。
關(guān)鍵詞：大跨度；門式剛架；多連跨；輕鋼結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)
1. 前言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對環(huán)境的重視度也越來越高，政府也加大了力度治理環(huán)境污染，內(nèi)蒙古政府為了治理環(huán)境，對內(nèi)蒙古現(xiàn)有的露天煤場及其集運(yùn)站均進(jìn)行了環(huán)境評估，對那些環(huán)境評估不達(dá)標(biāo)的進(jìn)行整改，而煤場集運(yùn)站對環(huán)境的污染最嚴(yán)重的就是揚(yáng)塵，而對揚(yáng)塵最好的治理辦法就是將粉塵封閉，本文論述了某一煤場集運(yùn)站的封閉設(shè)計(jì)過程。
2. 工程概況
該煤場集運(yùn)站為1616米x309.2米（長x寬），占地面積為50萬平方米，為6連跨，第一跨為53m，第二到第五跨均為53.5m，第六跨為42.2m，其中前5跨跨中均有一條運(yùn)煤專線電氣化鐵路，鐵路上面設(shè)有高壓線，煤場的最高堆煤高度為15m，煤場四周已設(shè)有擋風(fēng)抑塵墻，墻頂標(biāo)高為20m，此次設(shè)計(jì)主要為加蓋煤場的屋頂，而且其整個(gè)屋面需安裝太陽能電池板，屋面作為一個(gè)大型的太陽能發(fā)電裝置。建筑施工總圖見圖1。
圖1 建筑總平面布置圖（大跨度門式剛架）
3. 設(shè)計(jì)荷載及選材
本工程建筑抗震設(shè)防類別：丙類；設(shè)防烈度：8度；設(shè)計(jì)基本地震加速度值：0.30g；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；抗震類別：丙類；場地類別：Ⅲ類。
設(shè)計(jì)荷載：屋面恒荷載：0.40kN/m2（單層壓型彩鋼板+太陽能板）；屋面活荷載：0.30 kN/m2 (剛架)/0.50 kN/m2 (檁條)；基本風(fēng)壓：0.55kN/m2；基本雪壓：0.25kN/m2；地面粗糙度：B類。
材料選用和要求：本工程鋼柱、鋼梁材質(zhì)為Q345B；抗風(fēng)柱、屋面支撐及柱間支撐材質(zhì)為Q235B； 屋面檁條、墻檁采用熱鍍鋅處理，材質(zhì)為Q345；其余次結(jié)構(gòu)材質(zhì)均采用Q235。
4. 結(jié)構(gòu)分析
4.1 結(jié)構(gòu)選型
在結(jié)構(gòu)選型上，進(jìn)行了三個(gè)方案的比較，大跨度門式剛架方案、網(wǎng)架方案及桁架方案，經(jīng)過方案比較，決定采用大跨度門式剛架方案，其優(yōu)勢在于： 1）可以采用梁柱剛接節(jié)點(diǎn)，降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的高度，控制在擋風(fēng)抑塵墻之下，減少風(fēng)荷載對整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響；2）考慮到煤場有5條運(yùn)煤專用鐵路，每天均有數(shù)量不等的運(yùn)煤火車進(jìn)出，在施工時(shí)需考慮火車和堆煤對整個(gè)施工的影響，若采用網(wǎng)架及桁架，這么大的跨度，需要設(shè)置滿堂的腳手架，這樣既影響煤場堆煤，也影響火車進(jìn)出，采用門式剛架，施工比較靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況隨時(shí)作出變動(dòng)；3）從經(jīng)濟(jì)上來比較，門式剛架的制作施工成本均較網(wǎng)架、桁架低；根據(jù)以上幾點(diǎn)，最終選定為門式剛架結(jié)構(gòu)形式。
4.2 結(jié)構(gòu)分析的幾點(diǎn)思考
1）由于工程地處煤場，為防止煤對廠房鋼柱柱腳的腐蝕，我們將鋼柱設(shè)為剛接，柱腳底板標(biāo)高定為+1.000米，將其立于砼柱上（見圖2）。
圖2 獨(dú)立基礎(chǔ)（大跨度門式剛架）
2）根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》溫度區(qū)段長度不大于120m。
由于廠房縱向長度為1616m，縱向長度比規(guī)范限定的120m超出太多，若在結(jié)構(gòu)上每120m設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫即立雙柱，勢必會(huì)使廠房用鋼量增加，因此我們對結(jié)構(gòu)方案作了調(diào)整，即將整個(gè)廠房分為12個(gè)區(qū)段，每兩個(gè)區(qū)段之間布置一個(gè)天井，天井寬度為12m（見圖1），這樣既符合規(guī)范對廠房縱向溫度區(qū)段不大于120m的規(guī)定且天井對整個(gè)廠區(qū)起到了釋放溫度應(yīng)力的作用，同時(shí)整個(gè)廠區(qū)的通風(fēng)與采光大大改良，廠房的造價(jià)也相應(yīng)降低。
3） 為保證廠房屋面的整體穩(wěn)定性，我們在設(shè)計(jì)中將整個(gè)屋面的水平支撐作環(huán)狀封閉布置，且每跨的屋面水平支撐也設(shè)計(jì)為一個(gè)封閉圈，現(xiàn)取某個(gè)區(qū)域圖為例（見圖3）。
圖3 屋面水平支撐圖
4） 廠房兩區(qū)段（即天井端部）之間采用加密C型檁條連接，檁條與鋼梁之間采用可滑移的連接節(jié)點(diǎn)，以減少溫度應(yīng)力保證各區(qū)段之間的獨(dú)立性。檁條連接板上采用長圓孔（Φ14x90），并使檁條與鋼梁之間可相對滑移（見圖4）。
圖4 天井處檁條連接節(jié)點(diǎn)做法（大跨度門式剛架）
4.3 計(jì)算結(jié)果
本工程采用PKPM系列之STS進(jìn)行計(jì)算分析，受壓構(gòu)件的長細(xì)比控制為1/150，受拉構(gòu)件的長細(xì)比控制為1/300，絕對撓度限值控制為1/180。模型經(jīng)過多次調(diào)整后，其彎矩及撓度值見圖5（截兩跨為例）。
圖5 剛架彎矩及撓度圖
經(jīng)調(diào)整后剛架梁柱截面見圖6
圖6 剛架模型示例
5. 節(jié)點(diǎn)分析
本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于剛架單跨跨度大，導(dǎo)致屋面鋼梁截面較高，鋼梁截面高度最大處達(dá)1800mm，這給節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場安裝帶來了一定難度，為解決施工安裝問題，我們對構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)作了必要的計(jì)算分析，最后采取以下兩種措施：a．梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用剛接連接形式，有利于剛架剛度的提高，即鋼梁翼緣用現(xiàn)場單面剖口對接焊焊接，腹板用M30摩擦型高強(qiáng)螺栓連接,并加厚柱頂連接板，且梁柱連接板采用雙剪連接，一塊采用工廠焊接，一塊采用現(xiàn)場焊接。具體節(jié)點(diǎn)形式（見圖7）。
具體計(jì)算步驟如下：
1） 示意圖：
圖7 梁柱連接節(jié)點(diǎn)
連接類型：摩擦型高強(qiáng)螺栓
2）基本參數(shù)
螺栓選用摩擦型高強(qiáng)螺栓M30，10.9級，構(gòu)件材性：Q345。
摩擦面處理：鋼絲刷清除浮銹或 未經(jīng)處理的干凈軋制表面摩擦面的抗滑移系數(shù)為 0.35，受剪面數(shù)目為1個(gè)，計(jì)算得：單個(gè)螺栓受剪承載力 Nvb = 111.825 kN，螺栓承載力折剪系數(shù)為 0.78254，折剪后單個(gè)螺栓受剪承載力 Nvb = 87.5075 kN，螺栓群受力 N = 0 kN ， V = 110 kN ， M = 580 kN•M
3）螺栓群形心計(jì)算
螺栓個(gè)數(shù) BoltNum = 32，排列方式見下圖梁柱連接節(jié)點(diǎn)。
4）螺栓受力計(jì)算
螺栓受剪力最大處：受到N產(chǎn)生的剪力 Nx1 = 0 KN；受到V產(chǎn)生的剪力 Ny1= -3.4375 KN；受到M產(chǎn)生的剪力 Nx2 =
-63.2267 KN ， Ny2 =
-4.21512 KN ，Nv = 63.6882
KN ， Nv <=
Nvb 滿足!
5）凈截面承載力驗(yàn)算
Vy = 110.00kN;
Ⅰ-Ⅰ截面的毛截面計(jì)算面積：
A = （2×70＋100）×16 = 3840.00mm2 ；凈截面計(jì)算面積：An =（2×70＋100）×16－2×32.00×16 = 2816.00mm2；σ1 = 110.00×103/3840.00 = 28.65N/mm2；σ2 =（1-0.5×（2/32））×（110.00×103/2816.00） = 37.84N/mm2；σ = max{σ1,σ2} = 37.84N/mm2≤f=310N/mm2，滿足要求。
6）節(jié)點(diǎn)板抗彎驗(yàn)算
節(jié)點(diǎn)板：-16×1640×240，I=bh3/12=0.016×1.643/12=5.88×10-3m4，
W=2I/h=5.88×10-3/0.82=7.17×10-3m3，
σ=M/W=580×103/7.17×10-3=80.9N/mm2<345N/mm2 滿足抗彎。經(jīng)過驗(yàn)算，認(rèn)為在保證剛架側(cè)向穩(wěn)定的前提下，屋面鋼梁能滿足翼緣抗彎腹板抗剪的要求，且梁柱連接處單塊連接板能承受屋面鋼梁的荷重，此理論計(jì)算為現(xiàn)場安裝提供了一定的理論依據(jù)，也為工程的順利施工奠定了基礎(chǔ)。
b．為便于現(xiàn)場安裝加快工程進(jìn)度梁梁連接節(jié)點(diǎn)采用端板拼裝形式，具體見圖8。
圖8 梁梁連接節(jié)點(diǎn)（大跨度門式剛架）
計(jì)算如下： 1）高強(qiáng)螺栓參數(shù)：選用螺栓型號為M30；螺栓強(qiáng)度等級：10.9級
2）連接構(gòu)件參數(shù)：摩擦面抗滑移系數(shù)為0.35；連接構(gòu)件材質(zhì)：Q235 3）節(jié)點(diǎn)內(nèi)力：彎矩M：1061.5 KN.M；剪力V： 95.9 KN 4）驗(yàn)算結(jié)果：Nt: 226.53KN Nv: 4.79KN；t≥ 26.5mm 受力最大螺栓承受拉力值 Nt：226.53KN < 設(shè)計(jì)預(yù)拉力 0.8*P：284KN 滿足；單個(gè)螺栓承受的剪力 Nv：4.79KN < 抗剪承載力設(shè)計(jì)值 Nvb： 22.62KN 滿足；端板所需厚度 t≥ 26.5mm ，翼緣內(nèi)第二排螺栓處應(yīng)設(shè)置加勁板或局部加厚腹板。
6. 結(jié)論
1）大跨度的門式剛架應(yīng)根據(jù)彎矩的變化采取分段變截面的形式，以減輕剛架的自重，尤其是橫梁的自重，這樣方便制作和運(yùn)輸。
2）大跨度的門式剛架采用高強(qiáng)度的鋼材有利于減小截面尺寸和自重，但同時(shí)橫梁剛度降低，設(shè)計(jì)撓度增大，設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮。
3）門式剛架的柱腳設(shè)為剛接，可有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對于大跨剛架節(jié)省用鋼量是十分有利的。
4）大跨度門式剛架加強(qiáng)其屋面水平剛度，加強(qiáng)屋面鋼梁與鋼柱的節(jié)點(diǎn)剛度，可大大提高其整體穩(wěn)定性。
5）門式剛架屋面檁條與鋼梁之間采用可滑移的節(jié)點(diǎn)有利于減少屋面的溫度應(yīng)力。
參考文獻(xiàn)
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［4］《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）
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［6］《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102:2002）
［7］《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-2008）
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