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有吊车作用轻钢厂房的结构设计
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内容提示：福州瑞联钢有限公司30万吨冷板工程1#厂房位于马尾连104国道西北测，厂房长度234m，跨度为21 21m，建筑面积1万m2。吊车轨顶标高为10.0m。见图1，柱脚采用刚接，采用门式刚架结构，主刚架采用热轧H型钢，Q345B级。屋面坡度采用110。计算软件采用钢结构STS软件。至今该工程已竣工投产近一年。
1 工程概况
福州瑞联钢有限公司30万吨冷板工程1#厂房位于马尾连104国道西北测，厂房长度234m，跨度为21+21m，建筑面积1万m2。吊车轨顶标高为10.0m。见图1，柱脚采用刚接，采用门式刚架结构，主刚架采用热轧H型钢，Q345B级。屋面坡度采用1/10。计算软件采用钢结构STS软件。至今该工程已竣工投产近一年。（参考《建筑中文网》）
图1 建筑剖面图
2 基础设计
2.1 地质条件
根据岩土工程勘察报告，工程地质情况见表1，建筑场地类别为Ⅲ类。
表1地基各岩土层设计计算指标推荐使用值表
| 层 号 | 指 项 标 目 值 岩土层 名称 | 天然 容重 | 压缩模量 | 内聚力 | 内摩擦角 | 承载力特征值 | 桩端阻力特征值qsa和桩侧阻力特征值qsa | 桩侧负摩阻力系数 | 层厚（米） | ||||
| 预制桩 | |||||||||||||
| r | Es1-2 | Es2-3 | Es3-4 | C | φ | fak | qsa | qsa | ζ | ||||
| kN/m3 | Mpa | Kpa | 度 | Kpa | Kpa | 0.25 | 1.6~2.2 | ||||||
| ①-1 | 素填土 | 17.5 | 70-80 | | 0.25 | 0.4~2.5 | |||||||
| ①-2 | 填中砂 | 17.0 | 80-90 | | 0.4~0.9 | ||||||||
| ② | 粘土 | 18.7 | 4.0-5.0 | 15 | 7.5 | 110-120 | 10-13 | | 0.20 | 15.2~37.3 | |||
| ③ | 淤泥 | 15.6 | 1.5-20. | 2.0-2.5 | 3 | 3.1 | 40-45 | 6-7 | | 0.25 | 1.1~12.10 | ||
| ④ | 粘土 | 19.1 | 5.5-6.5 | 7.0-9.0 | 31 | 11.6 | 170-190 | 18-20 | 1088-2000 | 1.2~1.8 | |||
| ⑤ | 淤泥质土 | 16.1 | 2.0-2.5 | 2.5-3.0 | 5 | 6.5 | 55-60 | 9-10 | | 2.8~4.9 | |||
| ⑥ | 粘土 | 19.3 | 7.0-8.0 | 9.0-10.0 | 40 | 11.0 | 180-190 | 18-20 | | 5.5~ | |||
2.2 桩基础设计
根据工程地质条件及电算结果，由于业主工期要求快，故采用PHC预应力高强管桩，以粉质粘土④为持力层。桩身进入持力层0.8m。单桩竖向承载力特征值R=500kN，由于柱脚固接，吊车作用下，柱底弯矩较大，为使桩不出现拉力，而形成抗拨桩，因此必须采用双桩，而且桩距不能按常规取3.5d。本工程边柱最大轴压力N=653 kN，M=-364.8 kN，V=-77.8 kN，两桩桩距取3.2m，承台高1.2m。墙体传来4.1×4.5×6= 110.7kN
桩最小反力Nmin=(653+110.7+0.8×4.220)/2-(364.8+77.8×1.0)/3.2=262 kN＜R=600 kN
Nmax=568.35＜1.2R
中柱，N=1137 kN，V=35.4 kN，M=225.6 kN 算得 Nmin=513.9＜R= 600kN
Nmax=690.3＜1.2R= 720kN 经计算满足要求，可满足抗冲、抗剪要求。
3 上部结构设计
本工程为两跨21m，两台10t+15t重级工作制吊车，柱距6m，共有39跨固接的门式刚架，为保证吊车正常运转，厂房稳定，满足位移变形要求加强支撑设计和吊车制动桁架来增加厂房的整体空间刚度，全长234m，不设伸缩缝，墙体采用压型钢板。选用热轧H型钢经选用电算定下，用钢量最低的刚架尺寸，见图2
图2 刚架图
3.1 柱间支撑设计
若支撑设置不当，吊车行走时，就会造成刚架晃动，存在安全隐患，因此支撑的设置非常关键，因选用用钢量小的窄翼缘H型钢，因此柱平面外计算长度仅能取4m，在高4m处设置一道焊接钢管侧向水平支撑。交叉支撑采用角钢，在厂房的头、尾跨设置柱间支撑，中间跨每隔4跨设置一道。在设置柱间支撑的同一跨并设屋面支撑，为能更好传递风荷载在屋面每隔4米设一道水平钢管刚性系杆。
3.2 抗震措施
工程地处设防烈度7度区，房屋自重小，承载力不受地震作用效应组合控制，可不进行抗震计算。仅针对轻钢结构的特点采取抗震构造措施。
构件之间的连接均采用螺栓连接，斜梁下翼缘与刚架柱的连接均加腋，柱脚底板设抗剪键。增设吊车制动桁架。
3.3 隅撑的设计
隅撑可以用来提高屋面梁式柱的受压翼缘稳定能力，因此在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处，各设置一对隅撑。在斜梁下翼缘受压区隔一檩条设隅撑，并使其间距不大于相应受压翼缘宽度的16倍，见图3。
图3隅撑的设计
3.4 高强螺栓连接设计
由于屋面荷载很轻，在设计荷载作用下，斜梁与柱的连接部位主要承受弯矩作用，剪力很小，高强螺栓以受拉为主。剪力由连接构件间的摩擦力传递剪力。本工程建筑大量采用阳光板，开窗面积少，风顺力大减少，相应剪力也小，选用摩擦型高强螺栓，因此表面可不作专门处理。不必进行摩擦而抗滑移试验，这有助于提高效益和降低成本。
3.5 檩条设计
檩条的设计计算是最为困难的。首先，在目前设计规范或规程中尚无简单实用的计算公式供设计人员采用，其次，为节省钢材，轻钢结构中的檩条除用于承担梁的功能外往往兼作支撑体系中的压杆，同时还通过隅撑对门式刚架的梁和柱提供侧向支承。如果考虑门式刚架房屋中的蒙皮效应，则檩条的构造和受力计算更为复杂。檩条通常由薄钢板冷弯成型，计算中还需考虑屈曲后的有效截面等问题，因此，精确计算檩条的承载力非常困难。在竖向荷载作用下，檩条的自由翼缘受拉，受压翼缘由于和屋面有可靠的连接面不存在稳定问题。
由于Z型连续檩条是拱接而成的连续檩条，其内力分布较均匀刚度大，能节省用钢量，同时在制作、运输、安装诸方面都很便利，因此本工程采用Q345 Z型檩条，内力计算按如下一种简单通用的模式考虑：按等截面连续梁计算模式，考虑活荷载按不利分布作用，光按50%活载均匀满布得到一个效应值S1，再用50%活荷载按最不利隔跨分布得到一个效应S2。两者相加即为最不利活荷载所产生的效应S。另外再考虑在支座处因搭接嵌套松动所产生的弯矩释放10%。
在风吸力作用下，檩条的自由翼缘受压。因此，当檩条下翼缘无面板侧向支撑时，必须对檩条的下翼缘进行稳定性验算。福州地区基本风压为0.7 kN/m2，按门式刚架技术规程附录E公式计算结果得知，是风吸力作用下稳定计算起控制作用。选用Z180×70×22.2 Q345，檩距1.2m，可以满足要求。
4 结语
本工程至今已竣工投产近一年，吊车运转正常，经历几次强台风和冬夏大温差的考验，均能满足正常使用要求，取得较好的经济效益和社会效益。
轻钢结构的优点是节材高效，耗钢少，自重轻，制造安装运输简便，工期短，可拆迁，定型批量生产易于实现商品化等。近年来发展迅速，应用领域日益广泛。本工程采用刚接柱脚和Q345钢使用钢量减少了许多，经对比验算采用Q345钢的用钢量比采用Q235钢的用钢量下降16%左右，采用较平缓坡度（1/10）的门式刚度也可节约钢材。为达到进一步减少钢耗，降低成本的目的，还可以采用各种先进的科技手段，如引入预应力技术以加强结构刚度和承载力，提高结构稳定性，若能在檩条中张拉板材可以防止风吸力下的局部失稳和提高弹性受力幅值，将可大大减少檩条的用钢量。为此，在谋求改进方面希望本文能起到抛砖引玉的作用，同时我们期待着与专家同行的合作。请大家共同关注与探讨并指正。
参考文献
[1] 陆赐麟，轻钢结构的重量应该更轻，建筑结构[J]，2003（10）
[2] 钢结构设计规范 GB50017-2003
[3] 门式刚架轻型技术规程 CECS102:2002
[4] 陈友泉 魏潮文 郭立湘，轻钢结构中Z型号连续檩条设计问题的探讨，建筑结构[J]，2003（7）
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/8528.htm
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