摘   要：本文以内蒙古一煤场集运站工程为例，介绍了跨度为53.5m的多连跨门式刚架结构形式的选型及设计思路，以及在设计和施工时应注意的几个要点，对大跨度门式刚架结构形式的设计及应用进行一些探讨。

关键词：大跨度；门式刚架；多连跨；轻中国建筑金属结构信息网；节点

1. 前言

随着经济的发展，人们对环境的重视度也越来越高，政府也加大了力度治理环境污染，内蒙古政府为了治理环境，对内蒙古现有的露天煤场及其集运站均进行了环境评估，对那些环境评估不达标的进行整改，而煤场集运站对环境的污染最严重的就是扬尘，而对扬尘最好的治理办法就是将粉尘封闭，本文论述了某一煤场集运站的封闭设计过程。

2. 工程概况

该煤场集运站为1616米x309.2米（长x宽），占地面积为50万平方米，为6连跨，第一跨为53m，第二到第五跨均为53.5m，第六跨为42.2m，其中前5跨跨中均有一条运煤专线电气化铁路，铁路上面设有高压线，煤场的最高堆煤高度为15m，煤场四周已设有挡风抑尘墙，墙顶标高为20m，此次设计主要为加盖煤场的屋顶，而且其整个屋面需安装太阳能电池板，屋面作为一个大型的太阳能发电装置。建筑施工总图见图1。

图1  建筑总平面布置图（大跨度门式刚架）

3. 设计荷载及选材

本工程建筑抗震设防类别：丙类；设防烈度：8度；设计基本地震加速度值：0.30g；设计地震分组：第一组；抗震类别：丙类；场地类别：Ⅲ类。

设计荷载：屋面恒荷载：0.40kN/m²（单层压型彩钢板+太阳能板）；屋面活荷载：0.30 kN/m² (刚架)/0.50 kN/m² (檩条)；基本风压：0.55kN/m²；基本雪压：0.25kN/m²；地面粗糙度：B类。

材料选用和要求：本工程钢柱、钢梁材质为Q345B；抗风柱、屋面支撑及柱间支撑材质为Q235B； 屋面檩条、墙檩采用热镀锌处理，材质为Q345；其余次结构材质均采用Q235。

4. 结构分析

4.1 结构选型

在结构选型上，进行了三个方案的比较，大跨度门式刚架方案、网架方案及桁架方案，经过方案比较，决定采用大跨度门式刚架方案，其优势在于：      1）可以采用梁柱刚接节点，降低整个结构的高度，控制在挡风抑尘墙之下，减少风荷载对整个结构的影响；2）考虑到煤场有5条运煤专用铁路，每天均有数量不等的运煤火车进出，在施工时需考虑火车和堆煤对整个施工的影响，若采用网架及桁架，这么大的跨度，需要设置满堂的脚手架，这样既影响煤场堆煤，也影响火车进出，采用门式刚架，施工比较灵活，可以根据现场的实际情况随时作出变动；3）从经济上来比较，门式刚架的制作施工成本均较网架、桁架低；根据以上几点，最终选定为门式刚架结构形式。

4.2 结构分析的几点思考

   1）由于工程地处煤场，为防止煤对厂房钢柱柱脚的腐蚀，我们将钢柱设为刚接，柱脚底板标高定为+1.000米，将其立于砼柱上（见图2）。

图2  独立基础（大跨度门式刚架）

  2）根据《中国建筑金属结构信息网设计规范》温度区段长度不大于120m。

由于厂房纵向长度为1616m，纵向长度比规范限定的120m超出太多，若在结构上每120m设置结构伸缩缝即立双柱，势必会使厂房用钢量增加，因此我们对结构方案作了调整，即将整个厂房分为12个区段，每两个区段之间布置一个天井，天井宽度为12m（见图1），这样既符合规范对厂房纵向温度区段不大于120m的规定且天井对整个厂区起到了释放温度应力的作用，同时整个厂区的通风与采光大大改良，厂房的造价也相应降低。

3） 为保证厂房屋面的整体稳定性，我们在设计中将整个屋面的水平支撑作环状封闭布置，且每跨的屋面水平支撑也设计为一个封闭圈，现取某个区域图为例（见图3）。

图3  屋面水平支撑图

4） 厂房两区段（即天井端部）之间采用加密C型檩条连接，檩条与钢梁之间采用可滑移的连接节点，以减少温度应力保证各区段之间的独立性。檩条连接板上采用长圆孔（Φ14x90），并使檩条与钢梁之间可相对滑移（见图4）。

图4  天井处檩条连接节点做法（大跨度门式刚架）

4.3 计算结果

    本工程采用PKPM系列之STS进行计算分析，受压构件的长细比控制为1/150，受拉构件的长细比控制为1/300，绝对挠度限值控制为1/180。模型经过多次调整后，其弯矩及挠度值见图5（截两跨为例）。

图5  刚架弯矩及挠度图

经调整后刚架梁柱截面见图6

图6  刚架模型示例

5. 节点分析

    本工程设计难点主要在于刚架单跨跨度大，导致屋面钢梁截面较高，钢梁截面高度最大处达1800mm，这给节点设计与现场安装带来了一定难度，为解决施工安装问题，我们对构件连接节点作了必要的计算分析，最后采取以下两种措施：a．梁柱连接节点采用刚接连接形式，有利于刚架刚度的提高，即钢梁翼缘用现场单面剖口对接焊焊接，腹板用M30摩擦型高强螺栓连接,并加厚柱顶连接板，且梁柱连接板采用双剪连接，一块采用工厂焊接，一块采用现场焊接。具体节点形式（见图7）。

具体计算步骤如下：

1）  示意图：

 图7 梁柱连接节点

连接类型：摩擦型高强螺栓

2）基本参数

螺栓选用摩擦型高强螺栓M30，10.9级，构件材性：Q345。

摩擦面处理：钢丝刷清除浮锈或  未经处理的干净轧制表面摩擦面的抗滑移系数为 0.35，受剪面数目为1个，计算得：单个螺栓受剪承载力 Nvb = 111.825 kN，螺栓承载力折剪系数为 0.78254，折剪后单个螺栓受剪承载力 Nvb = 87.5075 kN，螺栓群受力 N = 0 kN ， V = 110 kN ， M = 580 kN•M

3）螺栓群形心计算

   螺栓个数 BoltNum = 32，排列方式见下图梁柱连接节点。

4）螺栓受力计算

螺栓受剪力最大处：受到N产生的剪力 Nx1 = 0 KN；受到V产生的剪力 Ny1= -3.4375 KN；受到M产生的剪力 Nx2 = -63.2267 KN ， Ny2 = -4.21512 KN ，Nv = 63.6882 KN ， Nv <= Nvb   满足!

5）净截面承载力验算

Vy = 110.00kN;

Ⅰ-Ⅰ截面的毛截面计算面积：

A = （2×70＋100）×16 = 3840.00mm² ；净截面计算面积：An =（2×70＋100）×16－2×32.00×16 = 2816.00mm²；σ₁ = 110.00×103/3840.00 = 28.65N/mm²；σ₂ =（1-0.5×（2/32））×（110.00×103/2816.00） = 37.84N/mm²；σ = max{σ₁,σ₂} = 37.84N/mm²≤f=310N/mm²，满足要求。

6）节点板抗弯验算

   节点板：-16×1640×240，I=bh³/12=0.016×1.64³/12=5.88×10^-3m⁴，

      W=2I/h=5.88×10^-3/0.82=7.17×10^-3m³，

σ=M/W=580×10³/7.17×10^-3=80.9N/mm²<345N/mm²  满足抗弯。经过验算，认为在保证刚架侧向稳定的前提下，屋面钢梁能满足翼缘抗弯腹板抗剪的要求，且梁柱连接处单块连接板能承受屋面钢梁的荷重，此理论计算为现场安装提供了一定的理论依据，也为工程的顺利施工奠定了基础。

b．为便于现场安装加快工程进度梁梁连接节点采用端板拼装形式，具体见图8。

图8  梁梁连接节点（大跨度门式刚架）

计算如下：   1）高强螺栓参数：选用螺栓型号为M30；螺栓强度等级：10.9级   2）连接构件参数：摩擦面抗滑移系数为0.35；连接构件材质：Q235   3）节点内力：弯矩M：1061.5 KN.M；剪力V： 95.9  KN   4）验算结果：Nt: 226.53KN   Nv: 4.79KN；t≥ 26.5mm      受力最大螺栓承受拉力值  Nt：226.53KN < 设计预拉力  0.8*P：284KN 满足；单个螺栓承受的剪力 Nv：4.79KN < 抗剪承载力设计值 Nvb： 22.62KN 满足；端板所需厚度 t≥ 26.5mm ，翼缘内第二排螺栓处应设置加劲板或局部加厚腹板。

6. 结论

1）大跨度的门式刚架应根据弯矩的变化采取分段变截面的形式，以减轻刚架的自重，尤其是横梁的自重，这样方便制作和运输。

2）大跨度的门式刚架采用高强度的钢材有利于减小截面尺寸和自重，但同时横梁刚度降低，设计挠度增大，设计中应综合考虑。

3）门式刚架的柱脚设为刚接，可有效地减小横梁跨中弯矩及挠度，这对于大跨刚架节省用钢量是十分有利的。

4）大跨度门式刚架加强其屋面水平刚度，加强屋面钢梁与钢柱的节点刚度，可大大提高其整体稳定性。

5）门式刚架屋面檩条与钢梁之间采用可滑移的节点有利于减少屋面的温度应力。

参考文献

［1］《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006版）

［2］《中国建筑金属结构信息网设计规范》（GB50017-2003）

［3］《建筑中国建筑金属结构信息网焊接规程》（JGJ81-2002）

［4］《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）

［5］《中国建筑金属结构信息网工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）

［6］《门式刚架轻型房屋中国建筑金属结构信息网技术规程》（CECS 102:2002）

［7］《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）

（精工工业建筑系统有限公司　浙江绍兴 302030）