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钢结构厂房设计概念

文章出处:东莞联丰钢构发表时间:2018-10-10

东莞钢结构厂房设计概念

1、 判断结构是否适合用钢结构

  钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动或经常装拆的结构。直观的说:大型厂房、大厦、体育馆、歌剧院、电视塔、工厂和临时建筑等,这是跟钢结构自身的特点相一致的。

  2 、结构选型与结构布置

  在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“ 概念设计”,它在结构选型及布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时,它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。由于大型厂房专业多、配合多、工艺复杂等特殊性,为了满足工艺专业的功能需要,经常需要构思出一些非常规的结构类型,这就需要一定工程经验的积累及对“概念设计”具备一定深度理解的工程人员,发挥主观能动性,设计出经济、实用的工程。

  钢结构厂房中应用较多的是框架、桁架结构型式。

  结构选型时,应考虑它们不同的特点,在工业厂房中,当有较大悬挂荷载或移动荷载,就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区,屋面曲线应有利于积雪滑落,降雨量大的地区类似考虑。建筑允许时,在框架中布置支撑会比纯框架有更好的经济性。结构的布置要根据体系特征,荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀,力学模型清晰,尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础,柱间抗侧支撑的分布应均匀,其形心要尽量靠近侧向力的作用线。否则应考虑结构的扭转。

  框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁,但是这会使主梁截面加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会超限,此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

  3 、预估截面

  结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

  钢梁可选择槽钢、工字钢、轧制或焊接H型钢截面等,根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20 ~1/50之间选择,确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

  柱截面按长细比预估。通常50

  4 、结构分析

  目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,设计院一般会有STS,3D3S等钢结构计算分析软件。有些可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能,这为更精确的分析结构提供了条件,复杂结构需要两种以上软件建模计算分析。

  5 、工程判定

  要正确使用结构软件,还应对其输出结果的做“工程判定”。比如,评估周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定’’选择修改模型重新分析,修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离,会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中,“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容,不应该过分信任与依赖结构软件,注重概念设计和工程判定是避免因结构软件出错而造成严重的后果。

  6 、构件设计

  构件的设计首先是材料的选择,比较常用的是Q235和Q345,通常主结构使用单一钢种,也可以选择不同强度钢材的组合截面,当强度起控制作用时,可选择Q345;稳定控制时,宜使用Q235。

  当前的结构软件,大都提供截面验算的后处理功能,一些软件可以将验算时通不过的构件,从给定的截面库里选择加大一级,并自动重新分析验算,直至通过,这是常说的截面优化设计功能之一,它减少了结构师的很多工作量,但是,初学钢结构至少应注意两点:

  (1)软件在做构件的截面验算时,计算长度系数的取定,有时会不符合规范的规定,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,应该逐个检查。

  (2)当预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待。

  ①强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘分厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。

  ②变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度,否则,会很不经济。

  使用软件加大界面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区别,实际工作中,常常并不合适。

  7、 节点设计

  连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致。这必须避免。连接的不同对结构影响甚大,会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。

  连接接点有等强设计和实际受力设计两种常见的方法,设计手册中通常有焊缝及螺栓连接表格等供设计者查用,比较方便,也可以使用结构软件的后处理部分来完成。具体设计主要包括以下内容:

  (1)焊接:对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守,焊条的选用应和被连接金属材质适用。E43对应Q235,E50对应Q345。

  焊接设计中不得任意人加大焊缝,焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近,其它详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

  (2)栓接:普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用,高强螺栓,使用日益广泛,通常8.8s和10.9s两个强度等级,根据受力特点分承压型和摩擦型,两者 算方法不同,高强螺栓常用M16~ M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。

  (3)连接板可简单取其厚度为梁腹板厚度增加2mm~4mm,然后验算净截面抗剪等。

  (4)梁腹板:应验算栓孔处腹板的净截面抗剪,承压型高强度螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

  (5)节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

  (6)节点设计还应考虑制造厂的工艺水平,比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床设备才能完成。

  8、 图纸编制

  钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。

  (1)设计图:是钢结构公司编制施工详图的依据,深度及内容应完整但不冗余。在设汁图中,对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚, 以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。

  (2)施工详图:又称加工图或放样图等,深度须能满足车间直接制造加工,并应附有详细的材料表。

  9、 总结

  钢结构虽然有诸多优点,但它也有很多弊端,例如:钢材价格比较昂贵、耐火性能差、结构节点复杂等。因此,应对比钢结构和混凝土结构的适用性,因地制宜的选择。

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