(中石化宁波工程有限公司,宁波 315100)
摘要:由于门式刚架结构具有施工周期短、结构布置灵活、造价低、性能好等特点,在现代建筑行业中得到越来越广泛的应用。梁与柱、柱与基础的节点连接形式直接影响双跨门式刚架整体刚度和承载力,所以选择合理的节点连接形式在门式刚架设计中起着关键性作用。运用PKPM计算软件,对中柱与钢梁、基础的三种不同连接形式组合对应的计算模型进行对比分析。结果表明双跨无吊车门式刚架在跨度及构件截面尺寸相同的情况下,中柱与钢梁、基础均采用铰接的连接形式,门式刚架的力学性能指标更合理,同时用钢量和混凝土用量也会相对较少。
关键词:大跨度 门式刚架 中柱 连接形式 力学性能
前言
近年来,大跨度门式刚架结构因其具备重量轻、强度高、可操作性强、施工快速、工程造价低等显著的优点,在对空间要求比较大的工民用建筑结构中备受青睐 [1] [2]。因此对大跨度门式刚架结构进行优化设计,使其截面更加经济、合理是未来设计的大方向。而中柱与刚梁、基础的不同连接形式,会在很大程度上影响大跨度刚架结构的力学性能,因此选择一种合理的连接形式是非常重要的。
1、梁柱连接形式
现有门式刚架设计主要依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[3]
(GB51022-2015),目前门式刚架的常用形式主要有3种,单跨刚架,双跨刚架,多跨刚架。刚架柱脚宜按铰接设计,门式刚架的单跨跨度宜为12~48m。
在实际工程计算及施工中,双跨门式刚架结构中梁、柱与基础采用不同的连接方式,会对结构受力产生不同的影响。本文结合工程实例,在实际模型计算中选择以下三种组合形式:(1)中柱与钢梁采用铰接,中柱与基础采用铰接;(2)中柱与钢梁采用刚接,中柱与基础采用铰接;(3)中柱与钢梁采用刚接,中柱与基础采用刚接。
2、工程实例
2.1 计算条件
某钢结构厂房,结构长42m,跨度54m,柱距7m,檐口高7.2m,屋面坡度为1:10,无吊车荷载。
2.2 材质及截面选择
对于Q235B和Q355B两种钢材来说,在满足强度要求的基础上,Q235钢材的宽厚比和高厚比更容易满足要求。由于本工程层高较低,结构较简单,因此选用Q235B钢材就可以满足强度要求,并且材料强度能得到更充分的发挥。刚架斜梁作为主要受弯构件,翼缘部分主要用来承担弯矩,腹板部分主要用来承担剪力。根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017)6.1.1条,受弯构件的受弯强度应满足:Mx/γxWnx+ My/γyWny≤f,而净截面模量Wnx和Wny的大小取决于截面惯性矩Ix、Iy的大小。由截面惯性矩的计算公式Ix=bh3/12知,适当增加斜梁的截面高度h,可以更充分地发挥翼缘的抗弯能力,从而提高刚架斜梁的受弯强度。同时由于梁柱连接节点处的弯矩较大,设计时一般会适当加大该连接节点处
注:1 b为工字形截面的翼缘外伸宽度,hw和tw分别为腹板的净高和厚度;
2 对于门式刚架斜梁,L取全跨。
的截面高度;同时从节约成本的角度出发,对主刚架斜梁采用分段变截面设计的方案。但是主刚架斜梁分段变截面的H型钢设计方案与等截面H型钢设计方案相比,变截面H型钢构件不论在加工制造和节点构造连接上都会有一定的困难,因此通常在厂房跨度比较大时,才会优先采用分段变截面设计方案。
本工程主刚架梁柱采用H型钢截面,屋面板材料选用具有隔热作用的夹心彩
色镀锌钢板,檩条和墙梁均选用高频焊接H型钢
3、计算结果及分析
通过PKPM-STS软件对3种组合形式的模型进行计算,取3种组合模型下的一榀钢架进行对比分析,通过对比分析3种组合模型下的弯矩包络图、钢梁、钢柱的最大应力比、钢柱长细比等主要技术指标,选出一种受力方式更合理、钢材利用率更高的结构形式。
通过对比3种组合模型下对应的弯矩包络图可以看出,当中柱与钢梁采用刚接连接方式时,中柱会承担较大部分的弯矩,而相应的钢梁所要承担的弯矩就会相对变小,所以在满足刚架强度、稳定、变形等主要指标的前提下,钢梁截面相比于中柱与梁铰接情况下会有所减小;当中柱与钢梁和基础均采用刚接连接形式时,中柱相应会承担更多的弯矩,钢梁承担的弯矩会相应变小,所以在满足刚架强度、稳定、变形等主要指标的前提下,相较于其他两种连接形式,中柱截面尺寸会相应变大,同时钢梁截面尺寸会相应减少。
为了能够更清晰直观的对比分析中柱的三种连接形式对刚架力学性能的影响,现将三种连接形式下,刚架模型对应的主要技术指标列表如下,如表1所示。
表1主要技术指标对比表
主要指标 | 组合1:中柱与梁、基础均铰接 | 组合2:中柱与梁刚接、与基础铰接 | 组合3:中柱与梁、基础均刚接 |
边柱最大应力比 | 0.53 | 0.57 | 0.57 |
边柱最大长细比 | 113 | 113 | 113 |
边柱风载位移 | 1/825 | 1/1944 | 1/1944 |
中柱最大应力比 | 0.24 | 0.61 | 0.77 |
中柱平面外稳定应力比 | 0.8 | 1 | 0.93 |
中柱最大长细比 | 160 | 160 | 160 |
中柱风载位移 | 1/1160 | 1/2838 | 1/2838 |
钢梁最大应力比 | 0.72 | 0.72 | 0.72 |
钢梁绝对挠度 | 1/367 | 1/428 | 1/428 |
通过对比分析表1中的各项主要技术指标对应的数据可知,与组合1、2对应的连接形式相比,当模型采用组合3对应的连接形式时,中柱的强度利用率分别提高了220%和155%;边柱风载位移量分别减小了58%和0%;钢梁绝对挠度值分别减小了14.3%和0%;中柱风载位移量分别减少了145%和0%;但边柱和钢梁的强度利用率并没有明显降低,所以采用组合3对应的连接形式,并不会引起边柱和钢梁截面尺寸的显著减小。如果只参考这些技术指标,那么采用组合3对应的连接形式,中柱的材料强度可以得到更充分发挥;但是当中柱采用相同截面尺寸,模型采用组合2对应的连接形式时,中柱的平面外稳定应力比超限,而且模型采用组合3对应的连接形式时,中柱的平面外稳定应力比也几乎接近限值。因此,如果模型采用组合2、3对应的连接形式,在满足强度、稳定、变形等主要指标的前提下,中柱截面尺寸至少应为H300X350X8X12,那么对于该工程而言,每榀钢架的用钢量和柱脚基础混凝土用量就会相应增加,主要工程量指标见表2。
表2 主要工程量指标对比表
主要指标 | 组合1:中柱与梁、基础均铰接 | 组合2:中柱与梁刚接、与基础铰接 | 组合3:中柱与梁、基础均刚接 |
钢架重量 t/榀 | 5.40 | 6.24 | 6.24 |
边柱基础钢筋混凝土 m3 | 5.6 | 5.6 | 5.6 |
中柱基础钢筋混凝土 m3 | 2.6 | 2.6 | 3.4 |
通过对比分析表2中主要工程量指标对应的各项数据可知,对于每榀标准刚架来说,模型采用组合1对应连接形式会比采用组合2、3对应连接形式的钢材使用量有所减少,更能达到节省钢材用量的目的,钢材节约量为0.84t,用钢量节约百分比为16%;同时采用组合1、2对应连接形式会比采用组合3对应连接形式的混凝土用量有所减少,混凝土节约量为0.8m3,混凝土用量节约百分比为31%。通过综合对比分析,采用组合1连接形式会比采用其他两种连接形式更经济、更合理。
4、结论
(1)对于层高较低,无吊车荷载的双跨门式刚架结构,在满足刚架强度、稳定、变形等主要指标的前提下,采用中柱与钢梁、基础均铰接的连接形式,刚架的各项力学指标更合理,同时用钢量和混凝土用量也会相对较少,从设计角度出发,采用中柱与钢梁、基础均铰接的连接形式更经济、更合理。
(2)在确定刚架柱与柱脚基础和钢梁斜梁的连接形式时,首先应在满足规范要求的前提下,还要结合计算结果进行综合对比分析,把主要技术指标控制在合理范围内,力求获得更经济、更合理的设计效果。
参考文献
[1]段云礼.门式钢架轻型刚结构房屋钢结构优化的几点建议[J].工程建设与设计.2013,04:47-48.
[2]陈绍蕃.把轻钢门式钢架梁柱连接设计成钢节点[J].钢结构.2012,4:9-11
[3] 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015).北京:中国建筑工业出版社,2015.
作者简介:朱迎,女,1992年出生,工程师。