關于露天煤礦無柱間支撐的門式剛架庫房設計

關于露天煤礦無柱間支撐的門式剛架庫房設計

摘要：通過對無柱間支撐門式剛架庫房的分析 ,對無柱間支撐、 大柱距的

門式剛架庫房設計進行了探討。介紹了無柱間支撐特殊門式剛架庫房的縱向穩定

措施及基礎設計方法。

關 鍵 詞：門式剛架庫房 縱向穩定措施 基礎設計

Abstract: through between the columns support door to no frame of the

analysis of the warehou, to no between the columns support, and from the pillars of

the door frame of warehou design are also discusd. Is introduced between the

columns support special door frame of longitudinal stabilization measures and

warehou bad design method.

Clo key words: the door frame of longitudinal stabilization measures the

foundation design warehou

1工程概況

本工程為大唐國際發電股份有限公司勝利東二號露天煤礦的外修隊設備庫,

該庫房是為了用于存放工程車及其它設備。外修隊設備庫為單層單跨雙坡門式剛

架 ,剛架跨度 24 m,柱高 7.5m,柱距分別為 12 m、6m,共22榀，屋面坡度1 /10,

地震設防烈度 6度。永久荷載特征值 (水平投影面 ) 0 . 5 kN /m2,可變荷載特征

值取屋面活載與雪荷載中較大值 0 . 5 kN /m2,基本風壓 0 . 55 kN /m2,地面粗糙

類別 B類 ,結構安全等級二級。

2結構形式分析

門式剛架的柱距確定應結合剛架的跨度、 屋面荷載、 檁條形式等因數綜合

考慮。在剛架跨度較小的情況下 ,選用較大的柱距 ,增加檁條、 墻架體系用鋼量

是不經濟的。門式剛架最優柱距應在 6 m左右。然而為了滿足工藝使用要求 ,

該門式剛架柱距須設為 12 m、6m,且在兩榀剛架之間不得設置柱間支撐。這樣 ,

設計時就需要擺脫使用斜交叉支撐傳遞縱向水平荷載至柱腳的常規作法。該庫房

在設計過程中就需要重點解決如何保證庫房縱向結構穩定的問題。同時 ,隨著柱

距的加大 ,結合縱向連接構件的形式 ,梁柱節點構造、 基礎設計也應根據具體情

況確定恰當的計算模型。

3結構縱向穩定措施

通常情況下,為了保證門式剛架的縱向穩定 ,設計時往往采用十字形交叉支

撐、人字形支撐等簡單的支撐體系。支撐體系在門式剛架輕鋼結構體系中具有十

分重要的作用,主要體現在以下幾方面:將各個平面剛架連接組成具有空間剛度和

穩定性的整體結構;為結構和構件的平面外整體穩定提供側向支撐點 ,減少平面

外的計算長度;簡捷明了地傳遞風荷載、 溫度應力、 地震力及吊車縱向水平制

動力等縱向荷載。

該庫房柱間距分別為12 m、6 m,且為了滿足使用要求 ,柱間不得設置常規的

支撐體系。廠房橫向 (24m方向)為門式剛架 ,橫向的結構穩定是可以得到保證

的，橫向荷載可以通過剛架順利傳至基礎。至于廠房縱向 (柱距方向 )，作用在

山墻上的水平風荷載 ,大部分需由可靠的柱間支撐傳至邊柱基礎頂部 ,同時地震

力、溫度應力也通常通過可靠的柱間支撐傳遞。倘若不設置柱間支撐 ,門式剛架

本身縱向剛度很小 ,且該庫房柱與基礎的連接采用鉸接 ,縱向結構是不穩定的。

在不設置常規的斜交叉支撐的情況下，如何保證剛架的縱向穩定呢? 設計時我們

對以下方案進行了比選：一種是在門式剛架邊柱頂部設置有足夠剛度的水平系

桿，系桿與柱頂剛接，在縱向平面內也形成頂部坡度為零的剛架，以確保廠房在

縱向的結構穩定。經計算，滿足要求的系桿截面很大，且系桿與剛架立柱的腹板

需剛接，在連接處產生較大的彎矩，局部應力過大，構造處理困難。

另一種方式則是在門式剛架邊柱頂部設置平行弦桁架，上、下弦與邊柱只需

鉸接，就可在縱向平面內也形成頂部水平的剛架，以確保廠房在縱向的結構穩定。

采用桁架時，在桁架端頭有較大的力臂來傳遞彎矩，且造型美觀，最終被設計選

定。

3 . 1桁架受力分析（以12m桁架為例）

本桁架由上弦桿、 腹桿和下弦桿組成 ,構件之間通過與節點板焊接相連。

為了減少次應力及焊接應力的影響 ,腹系中不再設置分腹桿。將作用在山墻上對

應區域的風荷載折算成線荷載作用在縱向剛架立柱上 (立柱與基礎鉸接 )，結合

桁架自重,可求得各桿件的內力。桁架桿件布置示意如圖 1。經計算，上弦桿中

1～5號桿件為受壓桿 ,下弦桿中 11～12號桿件為受壓桿。

3 . 2桁架桿件選擇（以12m桁架為例）

桁架設置在相鄰橫向剛架邊柱頂部之間，間距12m的兩支座之間無任何側

向支撐 ,在選擇上、 下弦截面時，弦桿垂直桁架平面的翼緣應有足夠的寬度才

能保證弦桿在桁架平面外的穩定性。為此 ,上、 下弦截面選擇組合不等邊角鋼

(短邊組合 )較為合理。弦桿組合截面需滿足 GB 500172 2003 《鋼結構設計規

范 》[ 1 ]對受壓構件容許長細比的規定：

l / i≤150

式中 l— — — 壓桿出平面的計算長度;

i— — — 組合截面繞平行于填板方向的回轉半徑。

這時，弦桿平面外的計算長度 l不應簡單地取為12 m,而應取根據桁架受力

分析得出的弦桿受壓段的長度作為計算長度 l (采用桁架結構后 ,本工程由 12

m變為了 10 m,減少 1 /6)。選出符合要求的截面后 ,再進行受壓構件的整體穩定

性計算：

σ=N /φA ≤ f

式中 σ— — — 壓桿正應力;

N— — — 壓桿軸向力;

φ— — — 軸心受壓構件的穩定系數;

A— — — 桿件毛截面面積;

f— — — 鋼材的抗壓強度設計值。

桁架中的受拉桿件長細比λ不宜超過 350。

經計算 ,最終選定的桁架上、下弦截面為 2L140 × 90 × 8 (短邊組合)。截面

形式見圖 2。

3 . 3桁架節點設計

桁架設計的成功與否，除了合理選擇桿件截面外 ,節點構造也至關重要。

3 . 3 . 1節點桿件布置

實踐經驗證明，節點處桿件布置直接影響節點的承載能力。節點處構件布置

見圖 3。

a．桿件節點中如果兩桿件邊緣之間的間隙太大 ,雖然施工制作方便，但節

點剛度較差。為提高節點剛度，可減少節點處腹桿之間的間隙，但這又有可能導

致焊縫重疊和腹桿受力重疊，為了兼顧兩者一般取20 mm。

b．應使腹桿中心線盡量相交于弦桿中心線,當其偏心小于弦桿連接肢寬度的

1 /6時,偏心影響可予以忽略,否則應考慮腹桿偏心的影響,進行偏心計算。

c. 節點板應伸出弦桿 10～15 mm,以便焊接。

d. 桁架節點板的形狀應簡單，如矩形、 梯形等。以制作簡便及切割鋼板時

能充分利用材料為原則。節點板的平面尺寸應根據桿件截面尺寸和腹桿端部焊縫

長度來確定，長度和寬度宜為 5 mm的倍數 ,在滿足傳力要求的焊縫布置的前提

下 ,節點板尺寸應盡量緊湊。一般采用放樣確定具體尺寸。