某32t吊車門式剛架輕鋼廠房的結構設計

摘 要：本文重點介紹了某管樁有限公司帶32t吊車門式剛架輕鋼廠房的剛架和吊車梁的設計， 屋面和柱間支撐的設計，檁條及和墻梁的設計。同時對本工程設計中幾個主要問題的處理，也進行了較詳細的討論和介紹，可供同類工程設計時參考。

關鍵詞：門式剛架；抗風柱；吊車梁隅撐；水平撐桿；拉條

一 工程概況

某管樁公司生產車間位于河北， 廠房長度為6×23=138m，寬度為24+21=45m，屋面坡度為8%，雙屋脊，建筑面積為6400m2，其中：24m跨有32/5t橋式吊車一臺，20t/5t橋式吊車二臺， 21m跨有10t橋式吊車一臺， 5t單梁橋式吊車一臺（以上吊車工作級別均為A5），牛腿標高6.900，柱頂標高11.500，屋面為角馳Ⅱ暗扣式單層壓型鋼板+75厚吸音保溫棉+不銹鋼絲網， 墻面為單層壓型鋼板。

本工程建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50年，屋面活荷載對于剛架構件，其受荷水平投影面積大于60m2，取為0.3 kN/m2，雪荷載為0.45 kN/m2，故取較大值為0.45 kN/m2；屋面活荷載對于檁條，屋面板等局部構件取值則為0.5kN/m2；基本風壓為0.45 kN/m2， 地面粗糙度類別為B類；抗震設防烈度為6度。剛架構件材質采用Q345B；吊車梁因其工作較頻繁，需要進行疲勞驗算，而最低日平均溫度為-6℃，要求所選鋼材應具有0℃沖擊韌性的合格保證，故吊車梁材質采用Q345C，其它檁條，墻梁，支撐材質采用Q235B。計算軟件采用PKPM的STS軟件。

二 剛架和吊車梁的設計

考慮制作安裝簡便，剛架柱，梁均采用實腹式焊接H型鋼，門式剛架用STS軟件進行分析計算時，對屋面活荷載考慮其各跨的不利布置，對吊車的豎向及水平荷載，當參于組合的吊車臺數為2臺時，對其進行折減，折減系數取為0.9。由于橋式吊車起重量為32t，已超出《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（下稱輕鋼規范）的適用范圍，故剛架柱采用《鋼結構設計規范》（下稱鋼結構規范）驗算，由于吊車梁可作為柱子的側向支承點，故下柱平面外計算長度取為7.5m即基礎面至牛腿面的長度，上柱平面外計算長度取為4.6，即牛腿面至柱頂的長度；而對于屋面變截面梁，由于鋼結構規范只能用等效截面來驗算，會存在一定誤差，所以屋面變截面梁的強度和穩定仍按輕鋼規范來驗算，其平面外計算長度取為兩屋面隅撐之間的距離，對于屋面變截面梁的撓度則按鋼結構規范從嚴控制。

對門式剛架進行人工干預的優化調整后，單榀剛架采用的截面見圖1，經計算，剛架柱的強度、穩定、長細比及翼緣的寬厚比均滿足鋼結構規范的規定要求；腹板的高厚比雖超過限值，但根據鋼結構規范5.4.6條規定，按腹板計算高度邊緣范圍內兩側各20tw（235/fy）0.5的有效截面計算，其強度、穩定仍滿足規范要求，故腹板不采取縱向加勁肋加強，另根據鋼結構規范8.4.2條規定，h0/tw＞80（235/fy）0.5，腹板采取橫向加勁肋加強，間距＜2m。對于屋面變截面梁，由于腹板高度變化率為150/8.15=18.4mm/m≤60mm/m，腹板的受剪板幅考慮屈曲后強度利用，屋面變截面梁按壓彎構件計算的強度、穩定及翼緣的寬厚比均滿足輕鋼規范的規定要求。對于剛架構件的變形，24m跨屋面梁在恒載標準值+活載標準值作用下，其撓度VT=71mm＜[VT]=24000/250=96mm；21m跨屋面梁在恒載標準值+活載標準值作用下，其撓度VT=53mm＜[VT]=21000/250=84mm；在風荷載標準值作用下，剛架柱頂最大水平位移δ=12.7mm＜[δ]=（11500+600）/400=30mm；故結構構件的變形均滿足鋼結構規范的規定要求。

鋼柱柱腳采用雙腹壁靴梁式整體柱腳，靴梁高400mm，柱身底端（包括靴板和肋板）銑平支承于底板并用雙面角焊縫連接，柱翼緣與底板采用部分熔透焊縫，熔深不小于t/3，雙面貼角焊縫厚度為10mm。剛架構件采用摩擦型高強度螺栓連接，其翼緣與端板采用全熔透對接焊縫，焊縫質量等級為二級；腹板與端板則采用雙面角焊縫，按照二級焊縫標準做外觀檢查。

抗風柱截面為H400X240X6/10，按上下兩端鉸接的壓彎構件計算，在山墻面設置2道隅撐作為其側向支承點，上端與屋面梁下翼緣用彈簧板連接，連接節點見圖2，考慮到屋面梁翼緣和腹板均較薄，側向剛度很差，容易扭轉失穩，故調整檁條的布置，使距抗風柱軸線位置100處有一檁條并設置隅撐，通過該隅撐把抗風柱上端的集中風荷載直接而有效地傳到屋面梁上翼緣處，然后再傳到端部橫向水平支撐。

吊車梁不設制動結構，其中：32t吊車梁采用H900×（380/250）×10×（16/10），10t吊車梁采用H700×（280/200）×8×（12/8），翼緣與腹板間的連接焊縫采用雙面角焊縫，按照二級焊縫標準做外觀檢查，在腹板兩側每隔1m設一道橫向加勁肋，其上端與梁上翼緣刨平頂緊。吊車梁通過突緣式支座支承于鋼牛腿上，其上翼緣與鋼柱的側向連接見圖3，設置此吊車梁隅撐既能克服柱子在吊車的縱向水平力作用下的扭轉，減少吊車梁在吊車行駛過程中的晃動，又能使吊車梁更符合縱向系桿的受力條件。

三 屋面和柱間支撐的設計

由于24m跨間設有32t吊車，考慮到吊車噸位較大，房屋在吊車運行時容易出現扭轉和晃動，為了加強房屋的整體剛度，24m跨間的屋面除設置角鋼的橫向水平支撐外，同時在屋蓋邊緣兩側設置角鋼的縱向水平支撐，以形成一封閉的支撐體系；21m跨間僅設有10t和5t吊車各一臺，故在其屋面僅設置張緊圓鋼的橫向水平支撐，不設置縱向水平支撐。屋面及柱間支撐布置見圖4。

屋面支撐體系的內力計算按以下2點考慮：1.山墻面傳來的風荷載考慮僅由兩端支撐桁架承受；2.屋面交叉支撐僅考慮一根桿件受拉，另一桿件則退出工作。24m跨間的縱橫向水平支撐截面的選用主要由受拉構件的長細比[λ]=400控制，采用單角鋼L63×5；21m跨間的圓鋼的橫向水平支撐則只驗算其強度即可，采用圓鋼φ20；剛性系桿則按兩端鉸接的軸壓桿件

計算，除驗算強度、穩定性外，還需驗算其長細比不超出受壓構件的容許長細比[λ]=200，經計算，除D軸線位置通長系桿采用焊接圓管φ127×3，其余位置系桿均采用焊接圓管φ102×3，在屋脊處考慮所受軸力較小，由雙檁條兼作通長剛性系桿。

柱間支撐體系的內力計算按以下2點考慮：1.對于上柱柱間支撐，山墻面傳來的風荷載考慮僅由兩端交叉支撐承受。而對于下柱柱間支撐，風荷載、吊車縱向水平力則由2道柱間支撐均勻分布承擔；2柱間交叉支撐僅考慮一根桿件受拉，另一桿件則退出工作。上柱柱間支撐截面的選用主要由受拉構件的長細比[λ]=400控制，同時考慮最小構造截面要求，采用單角鋼L75×6；下柱柱間支撐截面采用角鋼2L75×6的雙片支撐，雙片支撐之間設角鋼L56×5的斜綴條；吊車梁兼作通長剛性系桿，在設下柱柱間支撐的開間，考慮柱有伸出牛腿，而吊車梁又無制動結構，縱向水平力將通過吊車梁傳至下柱柱間支撐，兩者存在較大偏心，將引起此開間柱子的扭轉，故在此柱子開間牛腿標高處設置水平撐桿作為柱間支撐體系的組成部分，此水平撐桿按受壓桿件控制其長細比不超出容許值[λ]=200，采用2L125×70×7的雙片撐桿，長肢向下，雙片撐桿之間設角鋼L56×5的斜綴條。

四 檁條和墻梁的設計

考慮柱距較小，為安裝簡便起見，檁條采用冷彎C型鋼，按單跨簡支構件設計，截面為C160×70×20×2.3；在跨中位置設置一道圓鋼φ12的拉條；在每個跨間距檐口位置最近的兩檁條間設置圓鋼φ12的斜拉條，同時在此檁條間設置的直拉條外套φ33.5X2.5的圓管作為剛性撐桿；屋脊位置處的兩檁條間設置的直拉條也外套φ33.5X2.5的圓管作為檁條的側向支撐，使其符合剛性系桿的條件，拉條設置見圖5。由于屋面采用的是暗扣式的壓型鋼板，其對檁條上翼緣約束很弱，不能阻止檁條上翼緣的側向失穩，同時在風吸力作用下，檁條下翼緣受壓，將產生側向彎扭失穩，故在靠近檁條上、下翼緣處均設置此拉條系統。

考慮各墻面均有較大條形窗，需較平整的窗洞，墻梁也采用冷彎C型鋼，按單跨簡支構件設計，縱向墻面6m柱距的墻梁截面為C160×70×20×2.3，在跨中位置設置一道圓鋼φ12的拉條，山墻面7m、8m柱距的墻梁截面分別為C200X70X20X2.0、C200X70X20X2.5，在跨間三分點處各設置一道圓鋼φ12的拉條，斜拉條及剛性撐桿做法同檁條，拉條設置見圖6，由于窗口位置處的墻板自重必須由墻梁來承受，會使墻梁發生下撓，同時在風吸力作用下，墻梁內翼緣受壓，經計算其受壓穩定性不能滿足要求，故同檁條一樣，在靠近墻梁內、外翼緣處均設置此拉條系統。

五 結束語

本工程橋式吊車起重量32t，已超出《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（下稱輕鋼規范）的適用范圍，對于變截面屋面梁，其力學計算特征符合輕鋼規范，仍按輕鋼規范進行設計，同時對檁條和墻梁等圍護系統也按輕鋼規范進行設計，但對于鋼柱則應按《鋼結構設計規范》（下稱鋼結構規范）的要求設計，對于剛架的變形也按鋼結構規范作了控制。屋面和柱間支撐作一定的加強，并按鋼結構規范的要求設計。

參考文獻：

[1] 門式剛架輕型鋼結構技術規程 CECS102：2002.

[2] 鋼結構設計規范 GB50017-2003.

[3] 魏潮文，弓曉蕓，陳友泉輕型房屋鋼結構應用技術手冊中國建筑工業出版社2004.

[4] 趙熙元等建筑鋼結構設計手冊 中國建筑工業出版社1995.