大跨度单层库房结构方案经济性比较.docx

大跨度单层库房结构方案经济性比较及主要节点研究陈爱军王廷慈中国中元国际工程公司北京IoOo89【摘要】以北京首都机场北货运区航空货运大通关基地5-程为实例，对门式刚架轻型钢结构体系的设计方案及主要节点做法予以分析比较，并结合具体工程实例进行计算分析，得出一些阶段性结果，为今后同类项目的设计起参考作用。【关键词】物流库房；门式刚架；抽柱；托梁；用钢量；钢梁柱节点；柱脚。El前,我国经济正在持续快速增长,对物流的需求在不断提高,要求有高效、及时、快捷的物流系统，特别是首都北京作为国际化大都市，对物流、配送及其配套项目需求量非常大。而物流系统的核心部分就是库房，所以如何建造既能满足物流系统工艺要求，又造价经济、施工便捷的库房就是整个物流系统建设的重要部分。这种库房目前主要采用单层轻型屋面、大跨度、大空间的建筑形式，其内部一般设有平堆货区、货架区、高货架区，库房内还有装卸货物的叉车、汽车等。通过本文的研究，从建造库房的结构方案比较、不同跨度、不同柱距的主刚架的用钢量比较及主体结构关键节点的比较等多方面入手，对如何设计建造既经济又合理的库房得出较为科学的结论，为今后同类项目的设计起参考作用。1工程概况某物流中心位于北京首都机场北货运区的航空货运大通关基地内，为单层轻钢结构库房，本文仅就该物流中心的库房结构设计进行经济性比较。以下列出进行结构计算比较所需的技术统一条件。1.1建筑结构的设计使用年限和安全等级结构的安全等级：二级；设计使用年限：50a；抗震设防类别：丙类。1.2自然条件1.2.1风雪荷载(见表1)1.2.2抗震设防的有关参数(见表2)1.3设计主要依据1.3.1主要国家标准及规范、规程钢结构设计规范(GB500172003).建筑结构荷载规范(GB50009.2001)(2006年版)、建筑抗震设计规范(GB50011.2001)(2008年版)、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECSI02：2002)、网架结构设计与施工规程（JGJ7-91）、北京地区建筑地基基础勘察设计规范（DBJ01.501.2009）o1.3.2工程地质资料地基土的类型为中软土，建筑场地类别为III类，不考虑地震液化。场地最大冻土深度：0.80m。2结构方案的比较目前，根据物流工艺的要求，库房主要以单层轻型坡屋面、大跨度、大空间的建筑形式为主。对于这种单层大跨度、大空间的结构体系，屋面一般采用轻质高强的压型钢板、挤塑聚苯板保温层及PVC卷材防水层的做法。这种屋面做法比传统的混凝土屋面做法重量大幅度降低，其自重仅为40kg/Y左右。屋面下的主体结构一般有两种方案：其一为网架结构，其二为门式刚架结构。网架结构是由诸多杆件按一定规律组成的高次超静定空间结构，由于杆件之间的相互支撑作用，网架的空间刚度大、整体性好、抗震能力强。网架结构的自重轻，钢材用量省，既适用于中小跨度，也适用于大跨度的房屋；同时也适用于各种平面的建筑，如矩形、圆形、多边形。另外，网架结构杆件划一，适宜工厂化生产，为提高工程质量、进度提供了有利的条件和保证。虽然网架结构适用于大、中跨度、大空间结构体系，但只有房屋跨度较大（36m以上）、柱距较大（24m以上），且建筑平面尺寸长短边之比接近于I或不超过2时比较经济。其次，网架网格尺寸为其短边跨度的I/10-1/16,网架高度一般为短边跨度的1/13,1/17,其腹杆与弦杆的夹角为35。所以网架的高度较大,占空间较大。再次，由于网架结构的节点多，杆件多，现场施工较门式刚架结构复杂，安装精确度要求高，费用较高。又由于杆件较多，杆件表面积就多，这样将来防腐涂料及防火涂料的数量就比门式刚架方案要多。另外，支承网架的柱子一般为钢筋混凝土柱，其施工较慢。又由于有些库房屋面下要悬挂单梁起重机，若采用网架结构则起重机的轨道布置要受网架下弦球节点位置的限制，工艺布置灵活性受而门式刚架结构是梁、柱单元构件的组合体，其形式繁多，有单跨、双跨或多跨的单（双）坡门式刚架。另外，可根据需要带挑檐或毗屋。门式刚架结构有以下优点：1）门式刚架实腹式刚架斜梁的截面高度一般为跨度的1/301/45,构件的截面高度较小，可以降低房屋的高度，从而有效地利用建筑空间，库房内感观比较宽敞，节约工程造价，在建筑造型上也较简洁美观。2）在多跨建筑中可做成一个屋脊的大双坡屋面，为长坡面排水创造了条件。3）刚架构件可采用变截面，构件可根据弯矩的大小改变截面的高度、宽度及腹板和翼缘的厚度，做到材尽其用。4）结构构件可全部在工厂制作，加工简单，工业化程度高。构件在现场安装方便Il多髓，土建施工量小。5）由于刚架结构构件较网架结构数量少，则构件的防腐、防火及后期维护的费用也较网架结构低。目前，物流库房由于工艺布置的要求，中柱的柱距往往要求较大。如边柱柱距为8m,中柱柱距为16m或24m0由于门式刚架一般均为单向布置，所以需要在中柱抽柱处设置托梁，用来支撑门式刚架的斜梁。但如果托梁的跨度太大（跨度24m）,则托梁的截面较大，用钢量也较大。这时，柱网双方向的尺寸比较接近（如：30mx30rr0,则采用网架结构会比较经济。在此拟建工程中，我们最终采用了门式刚架的结构方案。3门式刚架结构在不同跨度、不同柱距、中柱不抽柱、中柱抽柱方案的主结构用钢量比较3. 1建筑结构概况拟建工程为单层轻型钢结构库房，无吊车，横剖面为双坡两联跨库房，结构形式采用门式刚架钢结构。边柱柱距分别为6.Om、8.0m、9.Om,中柱柱距为边柱柱距的2倍或3倍，屋面梁最低点梁底标高为10.Omo由于中柱柱距为边柱柱距的2倍或3倍，因此在中柱抽柱处设置钢托梁，用来支撑门式刚架的斜梁，钢托梁与屋面钢斜梁采用较接连接、托梁与中柱采用较接连接。由于站房跨度较大，并且中柱抽柱，所以将中柱柱脚设计为刚接，其余柱脚按较接设计。屋面采用单层压型钢板+挤塑聚苯板保温层+PVC卷材防水层的做法，其下设冷弯薄壁c型钢楝条,楝距1.5m,楝条隔根楝距于屋面钢梁的下翼缘设置一对隅撑，作为门式刚架斜梁的平面外支撑。外围墙L2m以下采用加气混凝土砌块；1.2m以上采用内保温双层彩色压型钢板，压型钢板竖向布置。采用冷弯薄壁C型钢作为墙楝，布置在钢柱外皮。墙楝隔根设置隅撑同门式刚架的边柱相连，作为边柱的平面外支撑。同时，在屋面上设置横向、纵向水平支撑；在柱间必要处设置柱间支撑，使各棍门式刚架连成整体，形成空间结构。3. 2结构计算荷载取值及主要控制参数1）屋面静荷载（标准值）：压型钢板+保温+防水+楝条：045kN/mh一Arch/he建u一筑a,a/与an结dSu构ucna设,a/计Delld吊挂管线（水、暖、电、工艺）荷载:O.30kN/m2；静荷载总计:O.75kN/m2）2）屋面活荷载（标准值）：O.50kN/m203）风荷载标准值：按照（f-j式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）附录A的规定计算。勺门式刚架柱顶水平位移控制：H/1508为刚架柱高度）。根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的勘误和补遗”第1条4）款的规定：柱顶位移限值改为h/240。本文采用折中数值。5）门式刚架斜梁挠度控制：L/300包。30m,L为一个坡面斜梁的跨度）。L/400（L30m,L为一个坡面斜梁的跨度）。6）门式刚架主结构钢材：采用Q345B07）中柱及托梁按钢结构设计规范（GB50017.2003）及建筑抗震设计规范（GB50011-2C）C）I）的规定进行设计。8）计算程序为中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的钢结构CAD软件STS（2005版）。4. 3门式刚架结构在不同跨度、不同柱距、中柱不抽柱、中柱抽柱方案的主结构用钢量比较门式刚架横剖面图见图1及图2,各种情况门式刚架主结构用钢量见表3表50通过各种情况门式刚架主结构用钢量的比较，得出以下结论1）在跨度相同的条件下，柱距分别为6m、8m、9m的门式刚架结构中，柱距越大，主结构用钢量越小。2）在柱距相同的条件下，跨度分别为24m、30m、36m的门式刚架结构中，跨度越大，主结构用钢量越大。3）在跨度、柱距均相同的条件下，中柱不抽柱的门式刚架结构比中柱抽柱的门式刚架结构用钢量要少；且中柱抽柱越多，主结构用钢量越大。以8m柱距、30m跨度的双跨门式刚架为例，中柱隔一抽一时，用钢量增加10%左右；中柱隔一抽二时，用钢量增加20%左右。特别是当托梁的跨度为27m时，若门式刚架跨度为30m时，一根钢托梁的用钢量（10278kg）接近于一根门式刚架的用钢量（U343kg）o所以，当库房中柱抽柱较多而托梁跨度较大时，采用网架结构会比较经济。另外，建设一座库房除了门式刚架主结构的用钢量外，其屋面橡条及墙面楝条的用钢量也占相当大的一部分。通过查阅国家标准图集（1'-J式刚架轻型房屋钢结构（02SG5181）,当在屋面楝条布置间距WL5m,屋面荷载设计值为1.55kN/m2,场地基本风压为0.5kN/m2的条件下，当柱距为6m或8m时，屋面樵条及墙面楝条均可采用“C”形冷弯薄壁型钢；当柱距为9m时，屋面楝条及墙面橡条均采用普通高频焊接薄壁H型钢。而“C”形冷弯薄壁型钢无论从用钢量指标，还是从加工制作、现场安装等方面都比普通高频焊接薄壁H型钢要好。所以，综合主结构用钢量及维护结构考虑,我们认为在本文的设定条件下，柱距为8m、中柱为隔一抽一柱的库房是最优的建筑结构方案。4门式刚架结构主要节点做法的比较5. 1门式刚架梁、柱拼接节点做法的比较门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放（见3a）、端板横放（见图3b）和端板斜放（见图3c）三种形式。端板连接一般按所受最大内力设计：当内力较小时，端板连接应按能够承受较小被连接构件截面承载力的一半设计。梁、柱端板之间一般采用高强螺栓连接,且端板的厚度不小于16mm。在对门式刚架梁、柱拼接节点设计过程中，主要是根据节点所受内力，确定高强螺栓的数量及直径、端板的厚度。在这里，高强螺栓主要承受构件截面的弯矩、剪力及轴力。通过对门式刚架的计算分析，该节点右侧竖向截面的弯矩同下部水平截面的弯矩是相同的；而节点右侧竖向截面的剪力却比其下部水平截面的剪力大很多；节点右侧竖向截面还要承受轴向拉力，而节点下部水平截面承受的轴向力为压力。通过研究分析，我们认为端板横放的做法较为经济。首先从节点受弯考虑，端板竖放同端板横放的截面弯矩相同，其受弯螺栓数量一样，但受剪力不同，端板横放做法截面剪力较小，需要高强螺栓较少。其次，端板竖放的做法高强螺栓还要承受轴向拉力；而端板横放做法构件截面的轴向压力通过端板直接传至柱，高强螺栓不承受额外的轴向力。再次，端板横放做法节点竖向的轴向力还增加了端板之间的摩擦力，可减少抗剪高强螺栓的用量。这种端板横放的梁、柱连接节点做法在北京首都国际机场大通关基地货运站工程中已经采用，实际使用效果良好。4. 2门式刚架结构柱脚作法的比较门式刚架结构的柱脚按受力特点分为钱接柱脚和刚接柱脚。较接柱脚的刚架,其柱项的横向水平变形较大，但柱脚与基础连接没有弯矩，柱脚构造简单，所需基础尺寸较小，一般用于屋面荷载较小、对横向水平变形要求不高的建筑。刚接柱脚的刚架，其柱顶的横向水平变形较小，但柱脚与基础连接处需要承受较大的弯矩，柱脚构造较复杂，基础尺寸较大，一般多用于水平荷载较大、设有5t以上桥式吊车、檐口标高较高、边柱设有跨度较大的悬挑雨蓬或刚度要求较高的建筑。如果在屋面荷载较小，对横向水平变形要求不高的条件下，门式刚架结构边柱柱脚采用刚接做法。那么，门式刚架结构主体的用钢量会怎样呢?下面采用一拟建工程为例，进行具体分析。拟建工程为单层轻型钢结构库房，无吊车，横剖面为双坡36mx2两联跨库房，结构形式采用门式刚架钢结构。边柱柱距为8.Om,中柱柱距为16.0m,屋面梁最低点梁底标高为10.0m,门式刚架的板距为8.Omo由于中柱柱距为边柱柱距的2倍，因此在中柱抽柱处设置钢托梁，用来支撑门式刚架的斜梁，钢托梁与屋面钢斜梁采用较接连接。由于站房跨度较大，并且中柱抽柱，所以将中柱柱脚设计为刚接，边柱柱脚也按刚接设计。其余设计条件均同第3.2条的结构计算荷载取值及主要控制参数。通过计算，门式刚架主结构用钢量及构件截面见表6o通过以上计算结果同表3、表4比较得出：在设计条件相同的条件下，门式刚架结构边柱柱脚采用刚接做法比边柱柱脚采用较接做法（中柱不抽柱用钢量为27.34kg/m2；中柱抽1柱用钢量为29.30kg/m2）的门式刚架主结构用钢量相差不大。但钢柱柱脚的构造较复杂,相应的基础尺寸也会较大,投资也会增加。所以，在屋面荷载较小，对横向水平变形要求不高的条件下，门式刚架结构边柱柱脚与基础宜采用较接连接。4. 3门式刚架结构Iilo接柱脚外露式和插入式做法的比较门式刚架结构刚接柱脚做法一般可分为外露式（见图4）和插入式（见图5）0刚接外露式柱脚主要由底板、加劲肋、锚栓及锚栓支撑托座等组成，各部分板件应有足够的刚度和强度，且相互间有可靠连接。柱脚的锚栓一般不宜承受柱脚底部的水平剪力，此水平力由底板与混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键来承受。插入式刚接柱脚是直接将钢柱插入预先做好的混凝土基础的杯口内，待钢柱位置调整好后，二次浇灌高强度微膨胀细石混凝土，柱脚的内力由埋入基础内的钢柱底板及钢柱翼缘与混凝土之间的承压来传递。现以第3.2条的拟建工程为例，比较该板门式刚架的边柱刚接柱脚，分别采用外露式和插入式两种做法用钢量的不同。该拟建工程门式刚架主结构边柱柱脚采用刚接，边柱截面为H800x350xl0xl2,柱脚内力设计值为M=802kN,IV_256.5kN,V=152kN8表示弯矩、IV表示轴力、y表示剪力）。如果采用外露式柱脚，经计算柱脚底板为一120OmmX80OrnmX40mm,锚栓为钢柱每侧4M42（钢材Q345）,加劲肋为一200mm×300mm×l6mm,每根柱脚的用钢量为495.8kg。如果采用插入式柱脚,钢柱插入基础杯口内的深度为2矶CHc为钢柱截面高度），由于边柱截面为H800x350xl0xl2,所以，钢柱插入深度为1.6m0该柱每延米的重量为126.9kgm,每根柱脚的用钢量为203kg0通过以上比较可知：在相同设计条件下，对于刚接柱脚采用插入式做法比外露式做法用钢量要省。另外，插入式柱脚构造简单、安全可靠，柱脚整体刚性比外露式做法好。目前，插入式刚接柱脚已广泛应用于多项单层轻钢大跨度、高檐口、有吊车的厂房中，效果良好。5结语近年来，门式刚架轻型钢结构体系匚广泛地应用于大跨度单层库房及单层工业厂房之中，本文结合工程实例，以北京首都机场北货运区航空货运大通关基地工程为实例，对门式刚架轻型钢结构体系的设计方案及主要节点做法予以分析比较，并结合具体工程实例进行计算分析，得出一些阶段性结果。其中不免有错误或不足，希望广大专家、设计人员批评、指正。