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大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计

更新时间:2016-11-23 16:24:32 点击数:1233

大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计

  现代钢结构大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计王元清陈全陈宏石永久(清华大学土木工程系北京10⑴84)大吨位吊车情况下钢结构厂房的轻型化设计问题。并通过一个工程实例介绍了设计全过程,重点强调了一些特殊处理措施,最后分析了吊车吨位和柱距对用钢量的影响,为解决类似的设计问题提供了成功的范例。

  1概述随着我国经济建设的迅速发展,由于生产的需要,门式刚架轻型钢结构以其用钢量低、造价低、节能环保、适用范围广等优点而获得广泛的应用。特别是门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:98)公布实行之后,使得国内从事轻钢设计技术人员有据可依,大大地推动了轻钢结构的发展。该规程适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或起重量不大于20t(刚架间距6m时不大于30)的中、轻级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋结构的设计、制作和安装。

  但是,在有些工程实例中会出现超过以上限值的大吨位吊车和轻型围护系统的钢结构厂房的设计,设计人员无规可循,导致大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行设计和计算,使得设计用钢量指标高攀不下,或在没有充分理论依据的情况下,凭经验一味地追求低用钢量而使结构的安全度降低。如何进行大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计,笔者结合以下工程实例加以讨论,以供。

  2工程背景某集团变压器有限公司特型变压器厂房长108m,柱距12m,主跨为24. 00m,设有双层吊车,下层1台101,上层2台50t跨度均为22 50m轨顶标高分别为7. 330m,均为中级工作制。主跨右有一188m附跨,内设1台5t吊车,轨顶标高为7970m为了避免与原厂房的基础冲突,左边还有一跨度为498m的两层悬挑结构,其剖面见。

  3设计要求50t门式刚架厂房设计己超出门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的适用范围,设计主刚架、吊车梁及制动桁架时,可通过钢结构设计规范〉来控制刚架柱侧移及吊车梁变形,刚架梁和围护结构变形仍可按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程〉进行设计。

  (1)根据钢结构设计规范〉〉(GB18-87)并参照〈门式刚架第一作者:王元清男1962年2月出生副教授轻型房屋结构技术规程>〉(CECS 102=98):主刚架梁的挠度限值融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型软件包。取其跨度的1/ 180风荷载标准值作用下的主刚架柱侧移限值取其高度的1/240对于吊车梁,当吊车吨位>50t时,竖向挠度限值取其跨度的1/750水平挠度取其跨度的1/2200当吊车吨位<50t时,竖向挠度限值取其跨度的1/600.―87)对有重级工作制吊车的主刚架要求在仅有一台吊车水平刹车情况下,柱顶相对1/1250.对中轻级工作制吊车规范没有明确规定,考虑到吊车吨位大,水平刹车力大,对刚架整体水平侧移刚度要求高,参照类似工程经验,我们认为,△/一般宜小于1/750.为加强厂房整体刚度,对于大吨位吊车厂房应采用刚接柱脚。在基础设计中,构造上应保证柱脚底能承受较大的弯矩和水平剪力,并保证基底不出现拉应力区。

  围护结构参照〈门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:98),檩条挠度<"150,墙梁挠度  由于吊车吨位较大,横向水平刹车荷载较大,吊车梁设计为焊接工字型实腹式等截面梁,并设置水平制动桁架以抵抗较大的水平刹车荷载。

  檩条采用薄壁钢管焊成的格构式檩条;墙梁根据现场布板要求均采用冷弯薄壁型钢,中间设置墙架柱。

  屋面支撑采用轻钢结构常用的柔性拉杆加刚性系杆体系,考虑到大吨位吊车纵向刹车力较大,吊车梁以下柱间支撑则采用双片刚性支撑体系。

  5主刚架结构分析计算软件采用国际著名的通用有限元软件ANSYS,它是软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。可以通过二维beam54梁单元解决变截面刚架的计算问题。在模型计算中主要用到ANSYS软件提供的结构静力分析模块,求解荷载引起的位移和应力。

  51计算模型计算时,按平面结构处理,以一榀刚架为单元,将刚架附属结构简化为荷载处理,既突出主要的影响因素,又大大简化了计算,其计算模型见52计算取值主刚架和吊车梁均采用Q345弹性模量E= 206X103MPa泊松比M=0.3抗拉强度/=315MPa抗剪强度fV=185MPa连接采用109级M24摩擦型高强螺栓。

  荷载取值:恒载、活载、雪载和风载的取值见表1,吊车主要性能参数见表2地震按7度地震设防烈度考虑。

  表1荷载标准值kN/m2类型恒荷活荷雪荷基本风压取值―87)并参照门式刚架轻型房屋钢结构技术规f程〉(CECS 102:98),验算主刚架的强度和刚度,考虑表3的前9种计算工况;验算基础、刚架柱的稳定和柱顶水平位移,还须分别验算其它一些工况,由于吊车最大轮压作用位置和风荷载的作用方向的不同而产生的组合很多,大多数都不起控制作用,所以表3列出了可能起控制作用的5种补充工况,即表3的1014种工况。

  以上工况作用下主要构件应力和挠度计算结果及优化后的截面尺寸见表4.表2吊车主要性能参数起重量Gn跨度轮距桥架宽度B/m小车重g/kN总重最大轮压Pmax/kN最小轮压注:(1)吊车工作制:中级;(2)吊车每侧轮数:2个。

  经计算,刚架的应力、挠度及侧移均不超过我国规范规定的设计限值,刚架柱的稳定也符合我国规范的设计要求。

  6吊车梁的设计分析考虑轻钢结构的特点,吊车梁均采用实腹式加水平制动桁架体系,吊车的设计参数见表2.根据工业厂房的设计要求,吊车梁设计一般要验算强度、整体稳定、疲劳、刚度等项目其截面尺寸和计算结果见表5.大吨位吊车门式刚架钢结构厂房的轻型化设计71994-2015dnaAcademicloumal表3计算工况工况活荷载风荷载0.85主跨吊车(只考虑上层50t)附跨吊车恒荷Pmax在左Pmax在右Pmax在左Pmax在右地震作用验算注:(1)表中所列荷载均为设计值,所列系数为该工况荷载组合系数,有风荷载组合时为0 85无风时为1.0;※代表该项荷载向右代表该项荷载向左,代表该项荷载参与作用;按机械厂房设计要求,50t、10t和5t吊车均按2台考虑,水平荷载只考虑2台50t吊车表4构件应力(MPa)、挠度及截面尺寸(mm)刚架柱应力24m跨斜梁18m跨斜梁工况刚架斜梁应力表5吊车梁应力、挠度计算结果序号截面尺寸/mm跨度L/正应力/剪应力/mMPaMPa跨中挠度w/L 5t吊车梁10t吊车梁50t吊车梁表6柱距为12m时的用钢量构件名称钢材用量/t单位用量/(kgDm2)比例/%刚架吊车梁围护结构合计注:(1)应力系按照荷载设计值计算,挠度按照荷载标准值计算;(2)刚架柱应力为考虑稳定后的应力。72柱距对用钢量的影响为了便于比较,我们分别对柱距为9m和6m的情况作了相应的计算,其结果见表7 7经济分析71用钢量分析对于带有吊车的钢结构厂房,吊车的吨位对总用钢量影响很大,为了便于定量分析,我们对各部分的用钢量进行了统计,其结果见表6.从表6可以看出,主体结构的用钢量较以往〈钢结构设计规范〉设计的厂房用钢量(80~100kg/m2)明显降低,但是吊车梁用钢量所占的比例很大,这是由于厂房因工艺布置需要而采用了12m柱距,加之吊车吨位较大,为方便加工制作,吊车梁采用了等截面形式造成的。

  表7不同跨度下的用钢量比较跨度/刚架/吊车梁/围护结构/总重/单位用量/从上表可以清楚地看到,随着柱距增大,刚架的用钢量明显减少,但同时吊车梁的用钢量也有很大程度的增加,柱(下转第22页)轻质高强是建筑材料的发展方向,但由此带来的墙体隔声能力的下降应引起足够的重视,墙体构造设计要严格按照有关隔声标准要求进行;楼板隔绝撞击声的能力是目前建筑声环境中的突出问题,光裸的混凝土楼板上采用刚性面层时其撞击声指数均在80dB(A)以上,不能满足一般建筑(如住宅、医院、学校等)的隔声要求,要采用弹性楼地面层、浮筑楼板或在楼板下增加隔声顶棚等措施予以解决;建筑的门窗是建筑物围护结构中隔声的薄弱环节,在构造设计时必须注意其隔声性能,并结合节能、防盗等功能考虑。

  建筑装饰采用的饰面材料和构造对建筑空间内的声音传播和反射都有影响,因此要根据使用空间的要求考虑其隔声和吸声性能,如开敞办公室的隔断(相当于声屏障)要求有一定的隔声能力,顶棚、地面要有一定的吸声性能,这对控制办公空间的噪声颇有效果,某些特殊的空间(如会议室)需要采用吸声和隔声性能佳的构造;建筑的走廊、门厅等处的墙面、顶棚装修时适当布置一些吸声材料,这对改善整个建筑的声环境非常有效。当然,要考虑所使用的材料是否会对室内空气品质产生不良影响。

  3.3建筑设备设计中的声环境保障技术建筑设备产生的噪声对建筑空间的声环境影响随建筑设备的增多而日趋严重。为此,必须从声环境的角度考虑建筑设备的选型,要尽量选择噪声水平低的设备,使其符合建设项目的声环境标准;设备安装时要考虑隔振隔声措施;在管道系统中,要在满足使用要求的情况下尽可能减低流体的流速,并增加消声器或采用柔性接口;安装管道时增加隔声或隔振衬垫。

  3.4建筑环境中的有源控制技术所谓有源噪声控制即是在噪声环境中,将采用传声器探测到的噪声信号传输至控制器,由控制器产生的新声波(次级声源)与原噪声声级相同但相位相反,从而使环境噪声降低(实际不能消除)在声学学科的许多领域对有源噪声控制进行着广泛的研宄,某些技术也己进入应用阶段。在建筑声学中同样可以有效地运用有源噪声控制技术,例如利用小型扬声器或激励器作为次级声源放置在双层轻质墙板中间(或装置在墙板上)以提高轻质结构的隔绝空气声的能力,以及利用有源声吸收、有源声屏障来有效控制噪声。虽然目前除正在尝试在通风管道系统中采取有源噪声控制技术外,其它实用技术尚未能完全实现,但相信随着研宄的进一步深化和经济条件的改善会逐步得到广泛应用。

  在安静的建筑环境中,如在开敞的办公室,谈话声会分散人的注意力,降低工作效率。电子声掩蔽技术是在建筑空间内由隐藏于吊顶的扬声器发出均匀分布的背景噪声,利用声音的掩蔽效应,这样既能对工作区之间传递的语言声起到干扰作用,又不会引起人们的注意。电子声掩蔽技术的关键是产生噪声的频谱、声级、覆盖均匀度和突出感,一个调节良好的电子声掩蔽系统,应该使使用者感觉不到有人工噪声源的存在。尽管这不是通常所谓的有源控制噪声,但是由于是利用噪声源来掩蔽噪声(实际也并未消除),所以也可以称之为“有源控制技术' 4结语生态建筑的声环境是生态建筑整体环境中的组成部分,也是体现生态环境质量的一个重要环节,应该达到舒适、文明、健康的生态建筑环境标准。通过在城市规划、建筑设计及设备设计中主动采用声环境保障技术,创造安静适宜的声环境,这无疑对生态建筑的物理环境品质和整体环境建设具有重要的意义。