大跨度门式刚架结构设计

大跨度门式刚架结构设计 马智刚 � 李海峰 (北京天地都市建筑设计有限公司 � 北京 � 100080) 摘� 要 � 介绍了北京某工程 44m 大跨度门式刚架的结构设计情况, 并与其他结构体系进行了比较, 可为大跨度门 式刚架的结构设计提供参考。 关键词 � 大跨度 � 门式刚架 � 轻钢结构 STRUCTURE DESIGN OF LONG�SPAN PORTAL FRAME Ma Zhigang � Li Haifeng ( Beijing Sky Land Architecture Design Co. , Ltd � Beijing � 100080) ABSTRACT � Structural design of a 44m long�span portal frame is introduced, and compared with other structur al systems, w hich can prov ide a good reference for t he design of long�span portal frames� KEY WORDS� long�span� � po rtal frame � � light steel structure 第一作者:马智刚 � 男 � 1979年 7月出生 � 工程师 Email: mazh igang1979@ 163. com 收稿日期: 2006- 05- 23 1 � 工程概况 北京马坡碧水云天假日酒店位于顺义, 本工程 为一多功能厅, 位于已经建设完毕的 1~ 4号楼和会 所楼之间, 地下车库顶板之上 (图 1) , 施工场地狭 窄,新建筑与原有建筑关系复杂。本多功能厅(图 2)长度44m,宽度 36m,檐口高 11�25m ,抗震设防烈 度 8度,建筑场地�类,中度液化。 为实现建筑功能,共考虑了以下 3种结构形式,即 混凝土结构、网架+ 混凝土柱结构、门式刚架结构。 图 1 � 建筑布置 � � 混凝土结构要保证如此大的空间是很困难的, 必须在适当部位增加梁柱,既影响建筑使用, 在操作 上又非常困难。由于空间内增加的梁柱无处生根, 只有坐落在车库顶板上, 而车库顶板的承载能力有 限,再加上混凝土结构自重大, 地震作用下反应较 大,必将对周围结构产生影响,其安全性、使用性难 以保证。 图 2 � 多功能厅效果 � � 对于大跨度空间结构, 采用网架+ 混凝土柱是 较常用的一种形式,但对本项目并非恰当。如果采 用周边支撑的网架结构, 上下边的柱子位于车库顶 板上,而左右两边的柱子位于地下车库与 2、3号楼 之间的回填土上, 难以保证沉降均匀,对网架受力影 响较大;若采用两边支撑, 由于混凝土柱自重较大, 对地基的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 较高,地基处理难度较大。 采用门式刚架结构,既可以满足建筑要求, 又由 于结构自身较轻, 地基处理比较简单,对周围建筑物 的影响很小,加工简单,施工快捷,经济合理,相比较 而言,是一种理想的结构形式 1!。 2 � 结构方案布置 2�1 � 柱网布置、轴线布置 如果单榀门式刚架沿竖向布置,必定有一部分 20 工程设计 钢结构 � 2006 年第 5 期第 21 卷总第 88 期 � 坐落于地下车库顶板上, 边榀坐落于地下车库与 2、 3号楼之间的回填土上,基础差异较大, 而且难以实 现建筑的主立面效果。因此门式刚架单榀沿横向布 置,跨度 44m ,柱距 7�5m,共布置 5榀,见图 3。 图 3 � 门式刚架布置 2�2 � 主刚架形式及截面 为降低对地基的要求, 基础采用铰接。主刚架 为单脊双坡, 屋面坡度 1∀10, 材料选用 Q345�B, 焊 条选用 E50型。柱采用变截面柱, 梁采用分段变截 面梁, 如图 4所示, 主刚架各构件的截面为 (单位: mm) : � � AB、GH 段: 600 # 1 500 # 320 # 10 # 16 BC、FG段: 800 # 1 500 # 320 # 8 # 16 CD、EF 段: 800 # 800 # 320 # 8 # 16 DE段: 1 500 # 800 # 8 # 16 图 4 � 主刚架截面分段布置 2�3 � 围护结构 屋面采用夹芯板,在适当位置设置天窗。檩条 采用冷弯薄壁 C 型钢檩条, 按两端铰接计算, 檩条 设2 道 �12 拉条, 在屋脊及檐口处的拉条外, 套 �30 # 2�5 钢管并设置斜拉条, 以形成几何不变体 系,增强整体性。围护墙地面以下选用 Mu10 页岩 砖,地面以上选用 Mu15陶粒空心砌块,外围护墙在 窗口位置及檐口处共设 3 道混凝土圈梁; 在刚架柱 与外围护墙相交处, 沿刚架柱每隔 500mm 设�12拉 筋,将墙体与柱可靠拉接。 2�4 � 系杆、支撑及隅撑 为了保证结构的整体性能,在端部两榀刚架间 设屋面水平支撑及柱间支撑, 屋面水平支撑采用 �25圆钢,柱间支撑采用 �30 圆钢, 支撑用花篮螺丝 拧紧;因刚架柱较高,柱间支撑分两层设置,在柱子 中间及屋脊檐口和抗风柱位置设刚性系杆,系杆为 �121 # 4钢管。 隅撑可以保证受压时斜梁下翼缘和刚架柱内翼 缘的稳定性。门式刚架的破坏首先是由于受压最大 翼缘弯曲引起的, 若隅撑设置不当,将影响到刚架的 整体稳定性, 危及结构安全。本工程在每跨靠近梁 端的负弯矩范围内,连续两根檩条下设置隅撑, 其他 部位每隔一根檩条设置一对隅撑。当山墙抗风柱与 刚架斜梁下翼缘连接时, 连接处的下翼缘也要设置 隅撑;在檐口处的柱内翼缘设置一对隅撑。 2�5 � 基础布置 采用传统的柱下独立基础形式,因为地下车库 与 2、3号楼之间的土为回填土,承载力低、变形大, 因此要对地基进行加固。加固采用水泥桩,桩端穿 透回填土到持力层, 加固后地基承载力不低于 110kPa, 独立基础间设置拉梁, 加大其截面及配筋 以增强整体性。基础上的回填土采用 2∀8灰土分层 夯实回填。对中度液化的场地来说, 基础应加强,通 过基础加固和采取构造措施,地基能满足要求; 又由 于门式刚架结构自重轻, 其所有荷载分摊到独立基 础上的平均应力约为 35kPa,远低于 110kPa,其主体 结构通过支撑、系杆、拉条、檩条、屋面板、墙体互相 连接,整体性较高,可以满足要求。 3 � 结构计算及分析 本工程采用 STS 软件进行计算分析。以一榀 刚架为单元进行计算, 将其他附属构件作为恒荷载 考虑。计算荷载为: 恒荷载 0�3kN/ m2(刚架自重由 程序考虑) ,活荷载 0�5kN/ m2 (按∃门式刚架轻型房 屋钢结构设计规程% ( CECS 102∀2002) 可以取 0�3kN/ m 2, 但考虑到本工程人流较多,重要性较强, 取 0�5kN/ m2 ) , 风荷载 0�45 kN/ m2, 雪荷载 0�4 kN/ m 2。弹性模量E= 2. 06 # 105MPa, 泊松比 0�3, 主刚架材质 Q345�B,其他构件采用 Q235�B, 螺栓选 用 10�9级高强螺栓。 3�1 � 夹层的计算 在�轴刚架附近有一夹层, 层高 3�5m,为考虑 夹层对主刚架的影响, 应修改计算模型,在计算模型 中输入夹层的梁柱和其荷载。 3�2 � 对周围建筑物影响的计算 本工程抗风柱、夹层柱坐落于地下车库顶板,应 (下转第 59页) 21 马智刚,等: 大跨度门式刚架结构设计 Steel Construction� 2006 ( 5) , Vol�21, No� 88 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 2 � 用钢量 名称 上弦/ kg 腹杆/ kg 下弦/ kg 用钢量/ kg 节约/ % 挠度 / m 普通钢屋架 45� 7 102�9 42� 7 191�3 0 � 0�02 7 体外预应力钢屋架 45� 7 102�9 21� 2 169�8 11�2 0�02 6 体内预应力钢屋架 73� 8 (含刚臂 39�7) 68� 7 14� 6 157�1 17�9 0�00 4 & ∋& 体外预应力钢屋架; & (& 体内预应力钢屋架 图 10 � 预应力钢屋架张拉后上弦下边缘应力值 & )& 普通钢屋架; & ∋& 体外预应力钢屋架; & (& 体内预应力钢屋架 图 11 � 荷载作用下 3种结构上弦下边缘应力值 边缘压应力增大; 体内预应力钢屋架在预应力作用 下上弦为压弯构件,在荷载作用下轴力虽有增大,但 弯矩减小,所以在荷载作用下最后应力增大的幅度 较体外预应力钢屋架小很多。3种结构截面应力都 没有超过 235MPa, 仍在弹性范围内。 4 � 结 � 论 本文的研究表明, 体内预应力钢屋架由于成型 初始应力的影响, 提高了结构的极限承载力和结构 的刚度,在相同的荷载作用下, 结构挠度较小,具有 优越的工作性能。本文的算例表明, 体内预应力钢 屋架比普通钢屋架节省材料,也优于体外预应力钢 屋架。同时其构造比体外预应力钢屋架简单,施工 速度快、施工难度小,特别适用于大跨度结构。 应该指出的是, 体内预应力钢屋架上弦杆进入 弹塑性工作的机理尚需进一步研究。本文的结论也 有待于工程实践检验。 参考文献 1� 沈世钊. 大跨空间结构理论研究和工程实践. 中国工程科学, 2001, 3( 3) : 34- 41 2 � Punniyakot ty N M, Richard Liew J Y, Shanmugam N E. Nonlinear Analysis of S elf�Erect ing Framew ork by Cable�Tensioning T ech� nique. Journal of Structural Engineering, 2000: 361- 370 3 � 韩青,张毅刚,祖青,等.预应力拱架结构的找形 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 / /第十一届 空间结构学术会议 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集.南京: 2005: 266- 269 4 � 齐永胜,刘爱华,周军义.张悬梁结构预应力张拉有限元模拟方法 比较.山西建筑, 2005, 31( 9) : 3- 4 (上接第 21页) 验算地下车库顶板及梁的承载能力;独立基础设于 地下车库与 2、3号楼之间, 独立基础对地下车库外 墙的影响也应考虑。通过计算分析得出了抗风柱、 夹层柱及独立基础的最大作用力, 通过验算, 地下车 库顶板、顶梁及外墙均满足承载要求。 3�3 � 竖向地震作用 对跨度大于 24m 的大跨度结构应考虑竖向地 震的影响, 但 STS 软件尚未加入这一功能, 只能通 过附加质量点的方式近似考虑。因此, 将恒荷载和 1/ 2的活荷载折算为质量, 按∃建筑抗震设计规范% ( GB 50011- 2001)的要求加入结构中,考虑竖向地 震的影响 2!。 3�4 � 其他问题 因设备要求需在 � 轴刚架附近设一地沟, 其对 独立基础有效侧限有所削弱, 为保证土体对此刚架 基础的可靠侧限, 地沟侧壁用 Mu10页岩砖、M7�5 混合砂浆砌筑, 地沟附近及基础附近土体用2∀8灰土 分层夯实回填。 4 � 结 � 论 1)大跨度门式刚架计算时需考虑竖向地震的影 响,夹层对主刚架的影响应通过完善单榀主刚架模 型,输入夹层数据整体计算。 2)由于门式刚架结构重量轻, 受地震作用影响 小,加工简单, 施工快, 在改扩建项目中是一种优先 考虑的结构形式。 3)当地基条件不利时,自重较轻的门式刚架结 构优势比较明显。 参考文献 1 � CECS 102∀2002 � 门式刚架轻型房屋钢结构设计规程 2 � GB 50011- 2001 � 建筑抗震设计规范 3 � 宿明彬, 胡战波. 大跨度门式刚架钢结构轻型房屋建筑之应用. 钢结构, 2001, 16( 1) : 12- 14 4 � 王元清, 杨威. 门式刚架轻型钢结构在大空间建筑中的应用研 究. 工业建筑, 2001, 31( 3) : 53- 55 59 张毅刚, 等:新型体内预应力钢屋架的张拉成型与受力性能分析 Steel Construction� 2006 ( 5) , Vol�21, No� 88