1、总第二十六期 工程与科技 广东电力设计39悬挂吊车的大跨度门式刚架在工业厂房中的应用王永丰广东省电力设计研究院【摘 要】 通过对这例悬挂吊车的大跨度门式刚架在工业厂房中的应用, 掌握好大跨度门式刚架的设计要点, 注意挠度在大跨度门式刚架中起主导作用, 只要选型合理, 计算模型与实际相符, 可扬长避短, 做到技术先进, 安全适用。门式刚架施工方便，安装工艺简单可行，用钢材量较少，经济效果显著。【关键词】 门式刚架 吊杆 挠度 节点一 概 述随着大跨度工业厂房的发展, 钢结构因自身的特点而应用而生, 其主要的结构形式有门式刚架、桁架和网架。随着门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102 ：20
2、02) 的颁布，使得大跨度的门式刚架可按轻型化的要求进行分析和设计。门式刚架根据不同的使用功能和要求可布置成为柱脚铰接或刚接；平面布置灵活多变，有单跨、多跨、高低跨以及带毗屋和带挑檐的刚架。屋面有单坡、双坡或多坡的结构形式；目前，国内门式刚架最大跨度已达到72m，对于多跨结构则可做到 100m 左右；所以大跨度门刚架具有明显的适用性和优越性。二 结构选型和布置2.1 工程概况该 厂 房 位 于 广 州 开 发 东 区 , 厂 房 宽85180m (宽 长), 建筑物中混凝土最高处屋面标高 22.0m，钢结构屋顶标高 16.372m, 柱距为5.0m，局部为多层混凝土结构 , 局部为单层钢结构,
3、 其中钢结构宽 48.8145.0m(宽 长), 檐口标高为 11.5m。由于工艺要求，钢结构厂房中间不能立柱，所以钢屋架的跨度为 48.8m，而且钢屋架上左右两侧吊杆处各有一台 10 吨的双轨吊车，( 见图一) 2.2 方案选择由 于 钢 屋 架 直 接 承 受 吊 车 荷 载 且 跨 度 比 较大 ， 所 以 结 构 形 式 的 合 理 与 否 至 关 重 要 ， 直 接 影响 到 结 构 的 安 全 性 和 经 济 性 。 由 于 钢 结 构 厂 房 四周 局 部 有 二 层 混 凝 土 房 屋 ， 所 以 钢 结 构 厂 房 柱 不宜 完 全 采 用 钢 柱 ， 下 面 讨 论 结 构
4、 选 型 和 方 案 的 选择 。方案一：用混凝土柱，截面为 8001100，柱高为 11.5m, 钢屋架截面为 H16004502032 (Q345 钢 ) , 钢屋架梁两端置于混凝土柱上, 与柱采用铰接连接，用 PKPM 的 STS 模块进行有限元分析和计算, 经计算，梁截面最大应力比为0.56, 而挠度接近规范限值, 计算结果表明在大跨度钢结构厂房中, 挠度控制起了主导作用。如果采用此结构形式，钢屋架并没有充分发挥作用，很不经济。总第二十六期 工程与科技 广东电力设计40由于门式刚架设计理论成熟，其空间系统结构能协同工作，其结构空间刚度和整体性能好，安全度高，能够满足抗震等方面的要求。所
5、以为节约钢材, 使设计符合经济合理 , 安全适用的原则, 我们采用了增加短钢柱的方案(即方案二的门式刚架结构形式) 。方案二：采用混凝土柱和短钢柱相结合，既能满足因钢结构厂房周围有二层混凝土结构而需采用混凝土柱的要求，又能使钢屋架与短钢柱形成门式刚架，有利于增加结构的刚度，减小门式刚架的挠度, 从而可相应减小门式刚架的钢梁截面高度。混凝土截面为 8001100，但柱高仅做到 8.0m 处, 标高 8.0m 11.5m 为短钢柱，钢柱截面为 H(7001300) 3501422，钢梁截面为 13003501425，吊杆采用H4003008 12。刚架梁、柱、吊杆均采用Q345 钢，其余构件采用
6、Q235 钢。由于混凝土柱比较高，为节省空间，减小柱截面，钢柱脚与混凝土柱采用铰接，而钢梁与钢柱采用刚接。2.3 结构布置方案确定后，必须进行合理的结构布置；由于门式刚架跨度大，梁截面高，且梁上又直接承受动力荷载，为使刚架平面外有足够的刚度，在钢梁屋脊、钢梁两端及吊杆处钢梁位置均设置通长 H 型钢刚性系杆，屋面设置封闭式圆钢水平支撑，并在伸缩处、屋脊处增设通长的圆钢水平支撑，屋面和短钢柱处墙面采用 Z型冷弯薄壁型钢檩条和彩色压型钢板体系；利用隅撑作为钢梁的平面外侧向支撑，以减小钢梁平面外的计算长度；在边跨和伸缩缝处均设柱间支撑，柱间支撑用 1655.0钢管；这样刚架形成空间结构，能让平面外水平
7、力(如吊车产生的水平刹车力等) 以最短的途径传给基础，保证简化计算过程中工程精度的要求。三 算例分析和计算结果3.1 计算模型和计算程序主刚架按平面结构取单榀进行结构计算，吊车水平力由吊杆之间纵、横垂直支撑承受, 计算时只考虑吊车产生的竖向力。由于该刚架钢梁上设有吊杆，直接承受吊车的动力荷载，为避免钢梁出现塑性铰，钢梁采用等截面焊接 H钢，钢柱采用变截面 H 钢。采用 PKPM 的 STS模块进行有限元分析和计算，同时采用美国REI 公司开发的 SSDD 软件进行复核和验算。计算简图如图(二)。3.2 计算结果分析经结构计算的弯矩包络图如图(三) , 钢结构应力图如图(四) 。从计算结果分析得
8、出，钢梁最大应力比为 0.79，钢柱最大应力比为0.92，最大挠度 v=L/618=78.96mmv=L/400=122mm, 均满足规范要求。3.3 钢量比较方案一用钢量为 105kg/m2, 方案二用钢量为 78kg/m2, 虽然方案二柱钢筋用钢量比方案一多，但总的来说，方案二还是大大节约了钢材，从而有效地降低了工程造价。总第二十六期 工程与科技 广东电力设计41总第二十六期 工程与科技 广东电力设计42四 节点设计和施工安装4.1 节点设计构件的内力通过节点传递，节点设计是否合理，是否与计算模型相一致，不仅直接影响整个结构的承载力、可靠性、安全性，而且还会影响结构的加工制作和施工质量，所
9、以节点设计是钢结构设计的重要环节之一。本工程刚架主梁与刚架柱、刚架主梁与主梁采用高强螺栓连接，即设计成刚接节点，吊杆与刚架主梁采用摩擦型高强螺栓连接成刚接。为使设计符合“强节点，弱构件 ”的理论，即节点破坏应该在刚架破坏之后出现，所以按内力计算出高强螺栓数量后，还应验算节点是否比刚架具有更高的承载力，设计时刚架主梁与刚架柱、刚架主梁与主梁采用高强螺栓连接并终拧完成后，再在节点处采用四面围焊的方法来加强节点设计。钢柱与混凝土柱理论上设计成铰接，除应满足抗剪要求外，还应考虑因钢柱脚与混凝土柱的连接具有一定的刚度，大约能分配 10%的弯矩，所以钢柱脚的节点在设计时应适当加强，本工程采用 8-M39
10、地脚螺连接。上述节点设计构造简单、传力明确，施工方便，安全可靠，广泛应用于门式刚架的节点设计。4.2 施工安装大跨度门式刚架不仅制作简单、现场安装方便，而且安装要求的施工机具及施工方案均较为简单，所以安装的综合费用均低于其它形式的钢结构。由于刚架跨度大，钢梁截面高度较高，安装时要特别注意刚架的平面外稳定。实际吊装过程中，首先把钢柱吊装就位并校正完毕后配以简易的平面外施工支撑，然后把现场拼装好的 48.8m 钢梁用两台吊机同时起吊。前两榀刚架吊装完后应立即安装柱间支撑、屋面刚性系杆、水平支撑及部分檩条，以便使结构形成刚度较大的结构体系，从而有效保证施工过程中构件的稳定，有利于保证施工质量和施工安
11、全。本工程由厦门华胤国际钢结构有限公司加工制作和安装，并于 2002 年底施工完毕，经过二年的使用，各方面的情况良好，达到设计要求和获得业主的好评。五 结 论通过这例悬挂吊车的大跨度门式刚架的设计，充分说明合理的结构选型是至关重要的。在悬挂吊车的大跨度门式刚架中，由于挠度控制起主导作用，就必须考虑选用刚度大且能有效地减小挠度的结构形式。由于吊车运行时产生较大的水平荷载，所以结构平面外稳定必须特别注意，用增加刚性系杆、刚性支撑等方法，以使大跨度门式刚架形成刚度较大的结构体系，能有效地承受吊车产生的水平荷载和地震产生的水平力，并以最短途径传给基础。参考文献1.钢结构设计规范 GB 50017-20032.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102：2002
