西南物流配送中心综合服务区钢结构厂房设计

2022-09-11

钢结构作为一种新兴的结构形式方兴未艾, 由于其具有强度高、自重轻、安装方便、造型美观、施工周期短且不受季节变化影响, 地基费用省等一系列优点, 与混凝土材料相比, 属环保型和可再次利用型材料, 已被人们普遍接受。其中轻型钢结构以其经济、高效的优点在工业厂房、仓库、超市建筑中备受青睐。本次设计的西南物流配送中心综合服务区的钢结构厂房即为单层双跨的轻型工业结构厂房, 采用了门式刚架结构。

1 设计过程

本次设计为西南物流配送中心综合服务区钢结构厂房设计, 分为建筑和结构两个阶段。

1.1 建筑设计阶段

考虑了建筑的功能要求, 从建筑的平面布局、立面布置及使用材料各方面进行了综合考虑。建筑平面设计中, 为不影响生产区的生产流线, 以及考虑到面积和采光的要求, 办公区以附房的形式设置在厂房的东侧, 而且分别设置入口, 但办公区与生产区要用一道1.2m×2m的门连通。办公区的具体布置, 如办公室、会议室、厕所等, 根据生产要求和职工人员进行设计。厂房的定位轴线根据厂房的各种参数进行确定。因纵向长度为120m, 小于300m, 故不需要设置温度伸缩缝;土壤地质条件较好, 不需设置沉降缝;根据地震设防烈度为7度, 也不需设置防震缝。

剖面设计中, 轨顶标高为7m, 根据所用吊车参数得到牛腿标高为6.085m;厂房室内外高差, 考虑运输工具进出厂房的便利及防止雨水侵入室内, 选取了150mm;根据厂房的生产状况, 查表知厂房的采光等级为Ⅲ级, 采光系数为1/8, 为保证良好的采光, 设置了纵向采光天窗和横向采光天窗, 为有效地解决通风问题, 设计了侧开的点窗和带窗。屋面排水采用有组织排水, 屋面坡度为1/15, 檐沟纵向坡度1%, 每隔一个柱距设置一个直径100mm的PVC雨水管。建筑材料为厂房屋面板采用V-760隐藏式压型钢板 (基板0.5mm厚) , 下铺75mm厚离心玻璃棉隔热材料, 内板采用W900型压型钢板 (基板0.4mm厚) 。办公区屋面为刚性屋面, 压型钢板组合楼板。生产区外墙1.2m标高为砖墙, 外贴瓷砖, 内涂涂料, 砖墙以上为双层压型钢板墙面, 办公区部分外墙为砖墙。

1.2 结构设计阶段

结构设计条件有:结构设计使用年限为50年;建筑防火等级二级;抗震设防烈度为7度;建筑场地类别为Ⅱ类, 地基承载力设计值为f=500kPa;基础混凝土强度等级为C20, 基础垫层素混凝土强度等级为C10;纵向受力钢筋和箍筋均为HPB235。

1.2.1 厂房主要结构布置

厂房的结构平面布置, 其中对于不同的厂房构件, 采用不同的编号将其区别开来, 包括厂房边跨的刚架, 厂房中间各跨的刚架, 刚性系杆, 各个部分的屋面支撑, 厂房的柱间支撑等。其中刚架的柱子和屋面梁均采用等截面的焊接H型截面, 屋面支撑采用直径为20的钢筋, 刚性系杆要求的刚度要强, 故采用圆钢, 柱间支撑采用双片角钢。初选截面, 将其输入PKPM软件中进行验算, 然后定出比较合理的初选截面。

1.2.2 结构构件的荷载计算

首先通过查《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2001) 得到风荷载的标准值为0.3kN/m 2, 雪荷载为0.1kN/m2, 及有关构件的高度变化系数, 并初步估计厂房构件的自重, 其中夹心屋面板的自重为0.2kN/m2, 檩条自重为0.1kN/m2, 由《门式刚架轻型房屋钢结构》 (CECS102:2002) 得到厂房构件的风载体型系数及风振系数, 综合之, 画出结构的内力计算简图, 求出荷载引起的内力值, 具体的结构计算简图有:屋面檩条计算简图、墙面檩条计算简图、屋面支撑计算简图、柱间支撑计算简图、抗风柱计算简图、主要构件刚架的计算简图等。

具体的风荷载根据《门式刚架轻型房屋钢结构》 (CECS102:2002) 的规定采用公式:每个参数都可通过查表得到, 基本风压值0.30kN/m 2, 地面粗糙度系数按B类取;按《建筑结构荷载规范》 (G B 5 0 0 0 9-2001) , 房屋高度为10.5m, 为计算简便且偏于安全, 取10.5m处的风荷载高度变化系数μz=1.014, 风振系数βz=1.05。

吊车荷载则通过查图集得到最大轮压和具体的轮压位置图, 结合结构力学里面的有关动荷载作用下的影响线知识, 进行吊车轮压的位置布置, 以求得吊车梁最大剪力和最大弯矩值, 以及最大横向水平力。恒载和活载也可通过类似的方法得到, 而地震作用的影响本设计不予考虑;最后综合这些荷载, 为后面的内力计算提供方便。

1.2.3 内力计算

根据结构力学的有关知识, 如位移法计算主要承力构件刚架的弯矩图。

1.2.4 内力组合

内力组合表根据《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2001) 制订, 内力组合分为三种:永久荷载效应起控制作用组合、可变荷载效应起控制作用组合、地震作用效应控制的组合。其中因为本工程忽略了地震作用, 故只考虑前两种组合, 具体的组合系数根据荷载的情况进行确定, 本设计特殊之处在于吊车荷载组合的确定, 应根据吊车起吊级别和台数进行, 而且厂房左右跨的吊车吨位又不同, 故考虑的组合较多。

1.2.5 截面验算

在初选了构件截面和进行了荷载计算、内力组合后, 就要进行厂房主要构件的截面验算, 其中包括强度、整体稳定、局部稳定、刚度等。强度要看是否考虑截面的塑性发展;稳定包括平面内的和平面外的稳定, 主要是计算长度的确定, 即看是否有侧向支撑以及它们的间距;局部稳定是冷弯薄壁型构件特别注意的问题;刚度包括构件的长细比和挠度, 以及刚架的整体侧移等。反复验算, 直到所选截面完全满足各方面要求为止。

1.2.6 节点设计

节点对于保证整个结构的安全性、适用性、耐久性起决定性的作用。本设计的节点包括刚接柱脚、梁柱连接、牛腿的设计与构造、隅撑的连接与构造等。因为本设计的吊车吨位比较大, 故采用刚接柱脚的形式, 而抗风柱的柱脚采用铰接, 梁柱的连接采用栓焊组合连接的方式, 所用螺栓均为摩擦型的高强度螺栓, 端板的厚度和螺栓的直径都需要通过计算来加以确定, 而牛腿的设计是本次设计的重中之重, 有关的截面选择和焊缝、加劲肋验算应高度重视。隅撑根据受力来选择截面, 它与梁的连接采用单螺栓的型式。

1.2.7 基础的设计

本设计采用独立柱基的型式, 先要计算基础梁, 并进行基础梁的配筋, 包括纵向钢筋和箍筋的直径和根数, 确定了基础梁之后就是基础的设计, 地基的承载力设计值为f=500kPa;岩土类别为砾砂, 基础顶面距设计地面的距离为600mm;钢筋的保护层厚度取35mm;垫层采用C10的细石混凝土, 厚度为100mm;纵向受力钢筋和箍筋的材料为HPB235 (fy=210N/m2) , 混凝土材料为C20 (ft=1.10N/m2) 。

基础设计在确定基础底面积及埋深, 取正常使用极限状态下荷载效应标准组合;在确定基础或承台高度、计算基础内力确定配筋和验算材料强度时, 上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力, 应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。

确定了组合以后就进行基础的具体计算, 本设计中, 因为钢柱与下部基础的连接部位很脆弱, 很容易破坏, 所以要进行此部位的配筋计算。

2 结语

钢结构单层厂房的设计还存在很多的技术问题有待解决, 本设计为了计算模型的方便, 假设梁的截面是个常量, 工程中为了减少材料消耗, 一般均采用变截面的梁这些都是我们需要进一步探讨的问题。

摘要：本设计是单层双跨轻型钢结构工业厂房, 采用门式刚架结构:每跨27米, 其中:A～B轴吊车吨位:15吨+15吨, 吊车台数:2, B～C轴吊车吨位:10吨+5吨, 吊车台数:首先确定刚架平面布置, 然后进行各种荷载标准值计算, 利用PKPM软件对估选梁、柱的截面进行内力分析和组合, 忽略地震作用等因素的影响。在此基础上确定梁、柱的截面, 并且利用位移法求出荷载组合作用下的结构内力 (弯矩、剪力、轴力) , 验算其平面内外的稳定性。梁柱均采用Q235钢, 8.8级和10.9级摩擦型高强度螺栓连接, 局部焊接采用E43型焊条。在计算内力组合中, 只选用各一种最不利组合进行计算。在完成了梁、柱和房屋屋面、墙面檩条等构件的内力计算和截面的选择后, 最后进行了地基基础的计算, 由于厂房处的地质条件较好, 故采用了安全的柱下独立基础的设计方案。

关键词：轻型钢结构,门式刚架,桥式吊车,内力分析,独立基础