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摘   要：本文以?xún)让晒乓幻簣?chǎng)集運站工程為例，介紹了跨度為53.5m的多連跨門(mén)式剛架結構形式的選型及設計思路，以及在設計和施工時(shí)應注意的幾個(gè)要點(diǎn)，對大跨度門(mén)式剛架結構形式的設計及應用進(jìn)行一些探討。

關(guān)鍵詞：大跨度；門(mén)式剛架；多連跨；輕鋼結構；節點(diǎn)

1. 前言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，人們對環(huán)境的重視度也越來(lái)越高，政府也加大了力度治理環(huán)境污染，內蒙古政府為了治理環(huán)境，對內蒙古現有的露天煤場(chǎng)及其集運站均進(jìn)行了環(huán)境評估，對那些環(huán)境評估不達標的進(jìn)行整改，而煤場(chǎng)集運站對環(huán)境的污染最嚴重的就是揚塵，而對揚塵最好的治理辦法就是將粉塵封閉，本文論述了某一煤場(chǎng)集運站的封閉設計過(guò)程。

2. 工程概況

該煤場(chǎng)集運站為1616米x309.2米（長(cháng)x寬），占地面積為50萬(wàn)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跨跨中均有一條運煤專(zhuān)線(xiàn)電氣化鐵路，鐵路上面設有高壓線(xiàn)，煤場(chǎng)的最高堆煤高度為15m，煤場(chǎng)四周已設有擋風(fēng)抑塵墻，墻頂標高為20m，此次設計主要為加蓋煤場(chǎng)的屋頂，而且其整個(gè)屋面需安裝太陽(yáng)能電池板，屋面作為一個(gè)大型的太陽(yáng)能發(fā)電裝置。建筑施工總圖見(jiàn)圖1。

圖1  建筑總平面布置圖（大跨度門(mén)式剛架）

3. 設計荷載及選材

本工程建筑抗震設防類(lèi)別：丙類(lèi)；設防烈度：8度；設計基本地震加速度值：0.30g；設計地震分組：第一組；抗震類(lèi)別：丙類(lèi)；場(chǎng)地類(lèi)別：Ⅲ類(lèi)。

設計荷載：屋面恒荷載：0.40kN/m²（單層壓型彩鋼板+太陽(yáng)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(lèi)。

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；其余次結構材質(zhì)均采用Q235。

4. 結構分析

4.1 結構選型

在結構選型上，進(jìn)行了三個(gè)方案的比較，大跨度門(mén)式剛架方案、網(wǎng)架方案及桁架方案，經(jīng)過(guò)方案比較，決定采用大跨度門(mén)式剛架方案，其優(yōu)勢在于：      1）可以采用梁柱剛接節點(diǎn)，降低整個(gè)結構的高度，控制在擋風(fēng)抑塵墻之下，減少風(fēng)荷載對整個(gè)結構的影響；2）考慮到煤場(chǎng)有5條運煤專(zhuān)用鐵路，每天均有數量不等的運煤火車(chē)進(jìn)出，在施工時(shí)需考慮火車(chē)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，需要設置滿(mǎn)堂的腳手架，這樣既影響煤場(chǎng)堆煤，也影響火車(chē)進(jìn)出，采用門(mén)式剛架，施工比較靈活，可以根據現場(chǎng)的實(shí)際情況隨時(shí)作出變動(dòng)；3）從經(jīng)濟上來(lái)比較，門(mén)式剛架的制作施工成本均較網(wǎng)架、桁架低；根據以上幾點(diǎn)，最終選定為門(mén)式剛架結構形式。

4.2 結構分析的幾點(diǎn)思考

   1）由于工程地處煤場(chǎng)，為防止煤對廠(chǎng)房鋼柱柱腳的腐蝕，我們將鋼柱設為剛接，柱腳底板標高定為+1.000米，將其立于砼柱上（見(jiàn)圖2）。

圖2  獨立基礎（大跨度門(mén)式剛架）

  2）根據《鋼結構設計規范》溫度區段長(cháng)度不大于120m。

由于廠(chǎng)房縱向長(cháng)度為1616m，縱向長(cháng)度比規范限定的120m超出太多，若在結構上每120m設置結構伸縮縫即立雙柱，勢必會(huì )使廠(chǎng)房用鋼量增加，因此我們對結構方案作了調整，即將整個(gè)廠(chǎng)房分為12個(gè)區段，每?jì)蓚€(gè)區段之間布置一個(gè)天井，天井寬度為12m（見(jiàn)圖1），這樣既符合規范對廠(chǎng)房縱向溫度區段不大于120m的規定且天井對整個(gè)廠(chǎng)區起到了釋放溫度應力的作用，同時(shí)整個(gè)廠(chǎng)區的通風(fēng)與采光大大改良，廠(chǎng)房的造價(jià)也相應降低。

3） 為保證廠(chǎng)房屋面的整體穩定性，我們在設計中將整個(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計為一個(gè)封閉圈，現取某個(gè)區域圖為例（見(jiàn)圖3）。

圖3  屋面水平支撐圖

4） 廠(chǎng)房?jì)蓞^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點(diǎn)，以減少溫度應力保證各區段之間的獨立性。檁條連接板上采用長(cháng)圓孔（Φ14x90），并使檁條與鋼梁之間可相對滑移（見(jiàn)圖4）。

圖4  天井處檁條連接節點(diǎn)做法（大跨度門(mén)式剛架）

4.3 計算結果

    本工程采用PKPM系列之STS進(jìn)行計算分析，受壓構件的長(cháng)細比控制為1/150，受拉構件的長(cháng)細比控制為1/300，絕對撓度限值控制為1/180。模型經(jīng)過(guò)多次調整后，其彎矩及撓度值見(jiàn)圖5（截兩跨為例）。

圖5  剛架彎矩及撓度圖

經(jīng)調整后剛架梁柱截面見(jiàn)圖6

圖6  剛架模型示例

5. 節點(diǎn)分析

    本工程設計難點(diǎn)主要在于剛架單跨跨度大，導致屋面鋼梁截面較高，鋼梁截面高度最大處達1800mm，這給節點(diǎn)設計與現場(chǎng)安裝帶來(lái)了一定難度，為解決施工安裝問(wèn)題，我們對構件連接節點(diǎn)作了必要的計算分析，最后采取以下兩種措施：a．梁柱連接節點(diǎn)采用剛接連接形式，有利于剛架剛度的提高，即鋼梁翼緣用現場(chǎng)單面剖口對接焊焊接，腹板用M30摩擦型高強螺栓連接,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(chǎng)焊接，一塊采用現場(chǎng)焊接。具體節點(diǎn)形式（見(jiàn)圖7）。

具體計算步驟如下：

1）  示意圖：

 圖7 梁柱連接節點(diǎn)

連接類(lèi)型：摩擦型高強螺栓

2）基本參數

螺栓選用摩擦型高強螺栓M30，10.9級，構件材性：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為 0.35，受剪面數目為1個(gè)，計算得：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓受剪承載力 Nvb = 111.825 kN，螺栓承載力折剪系數為 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）螺栓群形心計算

   螺栓個(gè)數 BoltNum = 32，排列方式見(jiàn)下圖梁柱連接節點(diǎn)。

4）螺栓受力計算

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(mǎn)足!

5）凈截面承載力驗算

Vy = 110.00kN;

Ⅰ-Ⅰ截面的毛截面計算面積：

A = （2×70＋100）×16 = 3840.00mm² ；凈截面計算面積：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(mǎn)足要求。

6）節點(diǎn)板抗彎驗算

   節點(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(mǎn)足抗彎。經(jīng)過(guò)驗算，認為在保證剛架側向穩定的前提下，屋面鋼梁能滿(mǎn)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，此理論計算為現場(chǎng)安裝提供了一定的理論依據，也為工程的順利施工奠定了基礎。

b．為便于現場(chǎng)安裝加快工程進(jìn)度梁梁連接節點(diǎn)采用端板拼裝形式，具體見(jiàn)圖8。

圖8  梁梁連接節點(diǎn)（大跨度門(mén)式剛架）

計算如下：   1）高強螺栓參數：選用螺栓型號為M30；螺栓強度等級：10.9級   2）連接構件參數：摩擦面抗滑移系數為0.35；連接構件材質(zhì)：Q235   3）節點(diǎn)內力：彎矩M：1061.5 KN.M；剪力V： 95.9  KN   4）驗算結果：Nt: 226.53KN   Nv: 4.79KN；t≥ 26.5mm      受力最大螺栓承受拉力值  Nt：226.53KN < 設計預拉力  0.8*P：284KN 滿(mǎn)足；單個(gè)螺栓承受的剪力 Nv：4.79KN < 抗剪承載力設計值 Nvb： 22.62KN 滿(mǎn)足；端板所需厚度 t≥ 26.5mm ，翼緣內第二排螺栓處應設置加勁板或局部加厚腹板。

6. 結論

1）大跨度的門(mén)式剛架應根據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，這樣方便制作和運輸。

2）大跨度的門(mén)式剛架采用高強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，設計撓度增大，設計中應綜合考慮。

3）門(mén)式剛架的柱腳設為剛接，可有效地減小橫梁跨中彎矩及撓度，這對于大跨剛架節省用鋼量是十分有利的。

4）大跨度門(mén)式剛架加強其屋面水平剛度，加強屋面鋼梁與鋼柱的節點(diǎn)剛度，可大大提高其整體穩定性。

5）門(mén)式剛架屋面檁條與鋼梁之間采用可滑移的節點(diǎn)有利于減少屋面的溫度應力。

參考文獻

［1］《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）（2006版）

［2］《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）

［3］《建筑鋼結構焊接規程》（JGJ81-2002）

［4］《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）

［5］《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》（GB50205-2001）

［6］《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》（CECS 102:2002）

［7］《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）

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