抽柱式大跨度门式刚架分析

全国第二届现代结构学术研讨会论文集工业建筑增刊（2002）1抽柱式两跨大跨度门式刚架分析研究李金华米宏广侯晓星（中交第一航务工程勘察设计院天津300222）提要本文通过对秦皇岛1.8万平方米散装化肥库的设计和工程实践，对国内首次采用的带天皮带机廊道抽柱式、两跨大跨度轻钢门式刚架结构的强度计算和稳定性分析，与托架的联结构造，支撑系统的设置进行了简单介绍，总结了此类轻钢结构的特点和所采取的构造措施，并对此类结构设计提出了方法和建议。关键词：抽柱式轻钢门式刚架分析一、概述秦皇岛散化肥库系秦皇岛港为满足逐年递增的散化肥接卸储运的要求，形成完整的散化肥接卸储运体系而兴建的目前国内最大容量的散化肥仓库。本工程于2000年10月进行设计，2001年4月开工，2001年12月竣工投产。秦皇岛港散装化肥库库房容量为14万吨。工艺流程为：接卸散化肥时，采用门机抓斗将化肥从船上卸入接卸漏斗，途径皮带运输机和转接塔进入库顶布料皮带机，然后卸入化肥库内储料池中。出化肥时，采用流动机械和可移动式灌包机在库内灌包。本工程位于秦皇岛港丙码头11#泊位，平面尺寸为204x77m，包括库顶皮带机廊道在内，总建筑面积约为1.8万m2.结构采用两跨门式刚架结构。檐口高为11m，屋脊处高为29.7m。在屋脊处设有突出屋面的皮带机廊道、内设皮带运输机、布料车及操作平台。外墙采用冷弯薄壁型钢墙梁和带隔热层的彩色压型钢板，屋面采用轻型槽钢檩条和带隔热层的彩色压型钢板。为方便流动机械作业和化肥堆存要求，抽去了中间柱列的部分柱子，形成了边柱列柱距7m，中柱列柱距21m和14m的抽柱式大跨度钢结构门式刚架结构体系。边柱采用焊接H型钢，中柱采用圆形的钢管柱，刚架梁采用变截面楔形梁。抽柱部分的刚架梁支承在钢托架梁上。结构用料除刚架柱为Q345外，其余均采用Q235。结构平面布置图及剖面图详附图（—）、（二）。全国第二届现代结构学术研讨会论文集工业建筑增刊（2002）2二、结构特点一般的轻钢门式刚架其跨度为9~36m，刚架的高度为4.5~9m，屋面的坡度为1/8~1/20，柱距为6~9m。屋面及墙面均采用冷弯薄壁型钢檩条和彩色压型钢板，柱脚一般做成铰接，中间柱做成摇摆柱。由于其结构本身对变形的适应能力较强，因此轻钢门式刚架规程中规定的变形要求较宽，在无吊车时柱顶位移可达1/50。但是，本工程门式刚架与一般的门式刚架有着以下明显的不同：（一）工艺要求，散化肥是按自然坡角堆存，这样从使用要求上造成了边柱列较低，而中间柱列较高，使屋面坡度达到了1/2.3，坡度很大超出了常用的1/8~1/20的坡度。（二）架的总高度达29.7m，也超出了一般门式刚架高度的几倍。（三）由于屋脊处设有突出屋面的皮带机廊道，内设皮带运输机、布料车等，造成结构承受较大的集中荷载和振动荷载，设备对结构变形要求严格。（四）按工艺要求，为方便流动机械的作业和化肥堆存的要求，中间柱列须抽掉一部分柱子，造成中间柱列和边柱列间距不同，这样就使刚架分为抽柱式刚架和不抽柱式刚架两种，使整个仓库的抗侧移刚度变成不对称和不均匀。这也是一般门式刚架结构中未遇到的。（五）中间柱列还要承受化肥堆、取料时的堆存侧向荷载的影响。从以上分析得知，本工程与一般的门式刚架有着明显不同的特点，在某些方面已超出了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）中的某些条款的要求。因此在设计中，也要根据具体情况加以区别对待，分别采取相应的措施。本文以秦皇岛散化肥库为例，对抽柱式带天皮带廊道的大跨度钢门式刚架的设计进行了尝试。三、结构设计及计算结果（一）计算模型假定：由于边柱列和中间柱列的柱距不同，因此刚架分成两类：一类为中间不抽柱的刚架，另一类为抽柱式刚架。在不抽柱刚架的屋脊处设有托梁，其跨度按抽柱数量分别为21m、14m。以托梁做为抽柱式刚架的中部垂直支撑。其作用是减小抽柱刚架梁的跨度和支撑突出屋面的皮带机廊道及皮带运输机。同时也作为中列柱顶的纵向系杆，加强结构的纵向刚度。通过分析、我们认为：虽然一部分刚架中部抽去了柱子，使各榀刚架的抗侧移刚度有些差别，但考虑到以全国第二届现代结构学术研讨会论文集工业建筑增刊（2002）3下因素：（1）中间柱列高度达26m，其抗侧力刚度较小，主要是长细比控制截面。（2）此类结构柱较短，斜梁较长，坡度大，力学性能接近“拱”的效应特征。对中柱列受力状况有较大改善。（3）在中间有柱和中间无柱时，其计算的侧移刚度比为1.21：1，即中间有柱的刚度比中间无柱刚度增加约20%，抽柱后各榀刚架的抗侧移刚度差别不是很大。（4）从结构方案上将中间柱列的两肢分开，对应支承在顶部皮带机廊道刚架的两个立柱处，避免刚架梁承担廊道和皮带机荷载。因此，计算模型近似按平面结构处理，取两种计算单元，中间有柱和中间无柱的刚架分别按平面结构计算，垂直荷载按受力途径分配。同时，对水平荷载按刚度进行分配。并考虑了托梁的垂直变形对中间无柱刚架的不利影响。并且在构造上及节点设计时采取措施，使之变形互相协调。尽量避免托梁承受平面外水平荷载，使其主要承受垂直荷载。这样即可简化计算，又能满足工程精度的要求。（二）计算的基本参数：基本风压：0.4KN/m2基本雪压：0.25KN/m2屋面活载：0.3KN/m2皮带机荷载：8KN/m布料车荷载：60kN漏斗及溜筒：100KN抗震设防烈度为：7度；场地类别为：Ⅲ类内力计算主要考虑了以下几种荷载组合：（1）1.2恒+1.4活+1.2位移（2）1.2恒+1.4风+1.2位移（3）1.2恒+1.19(活+风)+1.2位移（4）1.2恒+0.6活+1.2位移+1.3地震（5）1.0恒+1.4活+1.2位移（6）1.0恒+1.4风+1.2位移（三）计算结果：结构计算的内力以及在水平荷载作用下变形分别如附图（三）、（四）所示。梁、柱截面强度及稳定性验算结果如表1所示：全国第二届现代结构学术研讨会论文集工业建筑增刊（2002）4表1计算内容杆件强度N/mm2稳定N/mm2梁最大受力截面187176柱最大受力截面195235（四）变形控制：除保证结构的强度和稳定外，控制结构体系的变形以及解决变形协调问题也很重要。按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98）中的规定，无吊车时柱顶水平位移可按1/50控制，若按此计算，边柱和中柱的柱顶水平位移绝对值可分别为220mm和520mm，此位移值既不能满足皮带机及布料车运行的要求，同时在皮带机廊道及操作平台上还有工作人员，房屋过大的晃动也使人感到不舒服。本工程是采用控制结构主要部位水平位移的绝对值为标准，使计算的刚架在风荷载作用下的水平位移绝对值≤50mm.为达到此要求，刚架柱脚未采用一般门式刚架常用的铰接，中间柱也未采用摇摆柱，而是全部柱脚及梁柱连接均按刚接处理。对托梁的变形控制，因中间无柱的刚架梁是支承在托梁上，为减小托梁的垂直变形对刚架的不利影响，故对托梁的垂直位移也要严格控制，本工程控制在1/600范围内。为避免由于两种刚架的水平位移不同，对托梁产生平面外的作用力以及引起围护结构的破坏，所以协调两种刚架的水平位移也很重要。本工程通过调整两种刚架的梁柱截面尺寸，使计算得到的两种刚架的水平位移相差值控制在≤20mm范围内，同时把中间抽柱刚架梁与托梁的连接支座作成一可有一定水平位移的滑动支座，以减少两种刚架的水平位移不同产生的影响。并加强了支撑系统用以协调变形。（五）纵向分析及需注意的部位：1．在仓库纵向须设置部分双柱并加设柱间支撑作为主要抗侧力体系以抵抗风荷载及其他纵向荷载作用。2．对位于山墙处的中列柱因其既是横向刚架的一个支柱，同时也作为承受纵向风荷载为主的柱子，因其高度很高，故由风荷载引起的纵向的弯矩不容忽视。其次，由于其只有一侧设有托梁，而托梁的支点又不在柱中心处，由托梁引起的纵向弯矩也较大，所以对位于山墙处的柱及柱脚均应按双向受弯设计。四、节点设计及构造措施（一）节点设计：构件的内力通过节点传递，节点设计的是否合理，不仅直接影响整个结构的承载能力、可靠性、安全性，而且还会影响结构的加工制作及施工质量。在本工程中刚架的梁与梁、梁与柱均采用高强螺栓连接。对托梁与圆钢管柱的连接节点，考虑托梁在本工程中是一个关键的受力构件，且对其垂直变形要求较严，故从控制变形和减少用料方面考虑，托梁与柱的连接节点理应作成刚接，但由于托梁的线刚度远大于柱的线刚度，两者的线刚度比约为3：1，即两者为强梁弱柱，此时柱对梁起不了或不能很好的产生嵌固作用，也就很难形成刚性节点。同时此节点连接的杆件较多，按刚接处理则使节点构造复杂，施工难度大。故在本工程节点设计中，把横向刚架梁与柱刚接，以增加刚架的抗侧移刚度，而把托梁与柱的连接节点设计成铰接。这样使节点构造简单、传力明确，施工也方便。（二）构造措施：为加强结构的整体刚度和协调变形，在构造措施方面：1．除按一般要求设置檩条拉杆屋面支撑系统外，考虑托梁为焊接H型截面，平面外的刚度较小，但其所受的荷载较大且还要承受抽柱刚架水平位移的影响，为防止托梁平面外失稳，在两道托梁之间增设了水平支撑及垂直支撑。2．考虑屋面坡度较大，檩条平面外受力较大，再加上中柱列抽柱后，各榀刚架的刚度不同，为保证整个结构的水平变形基本协调一致，在皮带机廊道的两侧增设了两道屋面上、下纵向水平支撑，增强屋面体系的刚度。五、结语全国第二届现代结构学术研讨会论文集工业建筑增刊（2002）5秦皇岛散化肥仓库投产后，使用状况良好，取得了良好的经济效益，达到了设计预想目的。通过对秦皇岛港散化肥仓库带天皮带廊道的抽柱式大跨度门式刚架的设计和工程实践，我们认为可得出如下几点结论：（一）柱子较短，斜梁较长，坡度大的门式刚架和一般的门式刚架在力学性能方面有所不同，其力学性能接近于“拱”的力学性能。（二）此类抽柱式门式刚架，各榀刚架抗侧移刚度相差不大，在水平荷载作用下，按刚度分配水平力，垂直荷载按受荷面积分配的情况下，计算模型可近似按平面结构处理。（三）对柱子很高的结构，其变形宜以绝对值进行控制。（四）对托梁等关键构件，应严格控制其垂直变形及加强平面外的刚度。中间抽柱刚架梁与托梁的连接支座宜作成一可有一定水平位移的滑动支座。（五）纵向须设置部分双柱并加设柱间支撑作为主要抗侧力体系，端部柱及柱脚均应按双向受弯设计。（六）除按一般要求设置檩条拉杆屋面支撑系统外，两道托梁之间及屋面增设纵向水平支撑，增强屋面体系的刚度。参考文献：（1）陈绍蕃.钢结构设计原理.北京：科学出版社，1987.