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通廊是钢铁企业生产工艺中用于转运原料的通道。近几年来,钢铁企业竞争日益激烈,扩容、改造的步伐加快,对建设速度的要求越来越高,而钢结构以其自重轻、施工速度快、受季节影响小的特点,被越来越多的单位采用。在我院承担的邯钢老区焦化厂1~6#焦炉备煤系统改造工程中,通廊的设计全部采用了钢结构。
现以水平投影长度为19515mm的标准段为例,对钢结构通廊的设计作一简述。
一、通廊结构自述
该通廊采用了四片桁架组成的空间桁架,每水平投影长度3250mm为一节间,相邻水平桁架与竖向桁架共用一根弦杆,竖向桁架与上部水平桁架之间用斜杆相连,以保证整体结构的稳定性。
二、钢结构通廊的受力特点
钢结构通廊的重力荷载(恒、活)主要是由通廊内皮带机支腿传来的集中荷载,该荷载通过与竖向桁架平行的承重梁传至下部水平桁架中与弦杆垂直的腹杆(以下简称水平桁架直腹杆),再经水平桁架直腹杆传至竖向桁架下弦节点,通廊内走道板的荷载一部分由走道板传至走道梁,再由水平桁架直腹杆传至竖向桁架下弦节点,另一部分则直接由走道板传至下弦节间。
而钢结构通廊的重力荷载主要为动力荷载,按照《钢结构设计规范》(50017-2003)规定,对于直接承受动力荷载的结构:在计算强度和稳定性时,动力荷载设计值应乘以动力系数;在计算疲劳和变形时,动力荷载标准值不乘以动力系数。而动力系数据按照《荷载规范》(50009-2001),可采用1.1~1.3。
屋面荷载由屋面压型钢板传至檩条,由檩条传至屋面水平桁架直腹杆,再传至竖向桁架的上弦节点。
墙面恒载由墙面檩条传至竖向桁架竖腹杆;
风载由墙板传至墙面檩条,由檩条传至竖向桁架腹杆,再传至水平桁架节点。
由以上传力途径可知,所有桁架的竖(直)腹杆均承受节间荷载,其中以水平桁架的竖腹杆承受节间荷载最大。
三、桁架型式的确定
为确定合理的桁架结构型式,对相同荷载作用下不同桁架的结构形式的杆件内力进行了比较。经过比较发现,桁架腹杆中长腹杆(斜腹杆)受拉,短腹杆(竖腹杆)受压,它取决于构件的临界应力,而临界应力与杆件的长细比的平方成反比,杆件越短,轴心受压杆的临界应力越高。
对于水平桁架,由于风荷载的方向不定,有可能是左风,也有可能是右风,因此,对水平桁架来说,也要尽量满足长腹杆受拉,短腹杆受压。
四、杆件计算长度与容许长细比
1、杆件计算长度的确定:
杆件的计算长度按照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)表5.3.1确定。杆件的容许长细比按照《钢结构设计规范>(Gb50017-2003)表5.3.8采用。
在确定长细比时,要注意个别拉杆在活荷载组合时可能由拉杆变为压杆,此时要注意其压力值的大小,若应力小于或等于其承载力的50%时,其容许长细比为200,否则容许长细比为150。
五、截面型式的选择
1、弦杆、水平桁架直腹杆、竖向桁架端竖杆的选择:
由于竖向桁架下弦及水平桁架直腹杆有较大节间荷载,杆件承受弯矩,同时也为减少焊接量,提高施工速度,推广新型建材-国产热轧H型钢,弦杆、水平桁架直腹杆均采用了国产热轧H型钢,为了提高通廊端部的刚度,竖向桁架的端竖杆也采用了H型钢。
2、其余腹杆的选择:
由于钢结构通廊桁架的特殊性,其所有杆件的平面内、平面外的几何长度相等,支座斜腹杆的平面内、外的计算长度相等Loy=Lox,为满足杆件两个主轴方向的长细比相等(对压杆来说,杆件在两个主轴方向等稳定),所选截面必须具备iy=ix,所以设计中采用两个不等边角钢以长边相连的T形截面;对于其余腹杆,由于Loy=1.25Lox,设计中采用了二等边角钢组成的T形截面。
六、杆件设计计算
在杆件的设计计算时,应注意以下几个问题:
1、无节间荷载作用的桁架杆件,如通廊桁架的所有斜腹杆,竖向桁架的上弦杆,均按轴心受力构件计算;有节间荷载作用的杆件,如通廊桁架的所有竖(直)腹杆,竖向桁架的下弦杆,均按拉弯或压弯构件计算,计算方法与柱子相同。
2、用填板连接而成的双角钢,可按实腹式构件计算,但填板间的距离对受拉构件不应超过80i,对受压构件不应超过40i,且两个侧向支撑点之间的填板数不得少于两个,其中,i为单根角钢截面回转半径。
3、桁架杆件的重心线应可能在节点处交于一点,否则应考虑偏心的影响。
4、当荷载作用于节间时,应考虑节间弯矩,可先把节间荷载分配在相邻的两个节点上,按节点荷载计算出各杆件的轴心力,然后计算节间荷载引起的局部弯矩。
七、桁架注意事项
1、焊接桁架应以杆件形心线为轴线,螺栓连接的桁架可采用靠近杆件形心线的螺栓准线为轴线,在节点处各轴线应交予一点。
当桁架弦杆的截面变化时,如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的5%,可不考虑砌影响。
2、分析桁架杆件内力时,可将节点视为铰接。对用节点板连接的桁架,当杆件为H形、箱形等刚度较大的截面,且在桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1/10或大于1/5(对腹杆)时,应考虑节点刚性所引起的此弯矩。
3、当焊接桁架的杆件用节点板连接时,弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙不应小于20mm,相邻交焊缝焊址间净距不应小于5mm。
当桁架杆件不用节点板连接时,相邻腹杆连接角焊缝焊址间净距不用小于5mm。
4、节点板厚度一般根据所连接杆件内力的大小确定,但不得小于6mm。节点板的平面尺寸应适当考虑制作和安装的误差。
5、焊缝金属应与主体金属相适应。当不同强度的钢材连接时,可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
6、在设计中不得任意加大焊缝,避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝,同时焊缝的布置应尽可能对称于杆件形心轴。
焊件厚度大于20mm的角接接头焊缝,应采用收缩时不易引起层状撕裂的构造。
7、在直接承受动力荷载的结构杆件中,垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。角焊缝表面应做成直线形或凹形。焊脚尺寸的比例:对正面角焊缝宜为1:1.5(长边顺内力方向);对侧面角焊缝可为1:1。
角焊缝两焊脚边的夹角α一般为900。夹角>1350或<600的斜角角焊缝,不宜用作受力焊缝。
角焊缝的焊脚尺寸h1(mm)不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。角焊缝的焊脚尺寸h1(mm) 不得小于1.5倍的t的开方,t(mm)为较厚焊件厚度。角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。当焊件的厚度相差较大时,可采用不等焊脚尺寸,
杆件与节点板的连接焊缝宜采用两面侧焊,也可用三面围焊,对角钢构件可采用L形围焊,所有围焊的转角处必须连续施焊。
在本桁架的设计中,按上述原则进行荷载的分配、确定杆件约束等,在PKPM中别进行了水平桁架和竖向桁架的内力计算,所选断面均符号要求。
在通廊桁架的设计过程中,深深体会到,设计时必须全面掌握相关规范,根据结构的实际受力状况,进行多方案比较,确定合理的结构方案,计算模型力求接近实际,只有这样,才能做到结构设计既安全又经济。
现以水平投影长度为19515mm的标准段为例,对钢结构通廊的设计作一简述。
一、通廊结构自述
该通廊采用了四片桁架组成的空间桁架,每水平投影长度3250mm为一节间,相邻水平桁架与竖向桁架共用一根弦杆,竖向桁架与上部水平桁架之间用斜杆相连,以保证整体结构的稳定性。
二、钢结构通廊的受力特点
钢结构通廊的重力荷载(恒、活)主要是由通廊内皮带机支腿传来的集中荷载,该荷载通过与竖向桁架平行的承重梁传至下部水平桁架中与弦杆垂直的腹杆(以下简称水平桁架直腹杆),再经水平桁架直腹杆传至竖向桁架下弦节点,通廊内走道板的荷载一部分由走道板传至走道梁,再由水平桁架直腹杆传至竖向桁架下弦节点,另一部分则直接由走道板传至下弦节间。
而钢结构通廊的重力荷载主要为动力荷载,按照《钢结构设计规范》(50017-2003)规定,对于直接承受动力荷载的结构:在计算强度和稳定性时,动力荷载设计值应乘以动力系数;在计算疲劳和变形时,动力荷载标准值不乘以动力系数。而动力系数据按照《荷载规范》(50009-2001),可采用1.1~1.3。
屋面荷载由屋面压型钢板传至檩条,由檩条传至屋面水平桁架直腹杆,再传至竖向桁架的上弦节点。
墙面恒载由墙面檩条传至竖向桁架竖腹杆;
风载由墙板传至墙面檩条,由檩条传至竖向桁架腹杆,再传至水平桁架节点。
由以上传力途径可知,所有桁架的竖(直)腹杆均承受节间荷载,其中以水平桁架的竖腹杆承受节间荷载最大。
三、桁架型式的确定
为确定合理的桁架结构型式,对相同荷载作用下不同桁架的结构形式的杆件内力进行了比较。经过比较发现,桁架腹杆中长腹杆(斜腹杆)受拉,短腹杆(竖腹杆)受压,它取决于构件的临界应力,而临界应力与杆件的长细比的平方成反比,杆件越短,轴心受压杆的临界应力越高。
对于水平桁架,由于风荷载的方向不定,有可能是左风,也有可能是右风,因此,对水平桁架来说,也要尽量满足长腹杆受拉,短腹杆受压。
四、杆件计算长度与容许长细比
1、杆件计算长度的确定:
杆件的计算长度按照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)表5.3.1确定。杆件的容许长细比按照《钢结构设计规范>(Gb50017-2003)表5.3.8采用。
在确定长细比时,要注意个别拉杆在活荷载组合时可能由拉杆变为压杆,此时要注意其压力值的大小,若应力小于或等于其承载力的50%时,其容许长细比为200,否则容许长细比为150。
五、截面型式的选择
1、弦杆、水平桁架直腹杆、竖向桁架端竖杆的选择:
由于竖向桁架下弦及水平桁架直腹杆有较大节间荷载,杆件承受弯矩,同时也为减少焊接量,提高施工速度,推广新型建材-国产热轧H型钢,弦杆、水平桁架直腹杆均采用了国产热轧H型钢,为了提高通廊端部的刚度,竖向桁架的端竖杆也采用了H型钢。
2、其余腹杆的选择:
由于钢结构通廊桁架的特殊性,其所有杆件的平面内、平面外的几何长度相等,支座斜腹杆的平面内、外的计算长度相等Loy=Lox,为满足杆件两个主轴方向的长细比相等(对压杆来说,杆件在两个主轴方向等稳定),所选截面必须具备iy=ix,所以设计中采用两个不等边角钢以长边相连的T形截面;对于其余腹杆,由于Loy=1.25Lox,设计中采用了二等边角钢组成的T形截面。
六、杆件设计计算
在杆件的设计计算时,应注意以下几个问题:
1、无节间荷载作用的桁架杆件,如通廊桁架的所有斜腹杆,竖向桁架的上弦杆,均按轴心受力构件计算;有节间荷载作用的杆件,如通廊桁架的所有竖(直)腹杆,竖向桁架的下弦杆,均按拉弯或压弯构件计算,计算方法与柱子相同。
2、用填板连接而成的双角钢,可按实腹式构件计算,但填板间的距离对受拉构件不应超过80i,对受压构件不应超过40i,且两个侧向支撑点之间的填板数不得少于两个,其中,i为单根角钢截面回转半径。
3、桁架杆件的重心线应可能在节点处交于一点,否则应考虑偏心的影响。
4、当荷载作用于节间时,应考虑节间弯矩,可先把节间荷载分配在相邻的两个节点上,按节点荷载计算出各杆件的轴心力,然后计算节间荷载引起的局部弯矩。
七、桁架注意事项
1、焊接桁架应以杆件形心线为轴线,螺栓连接的桁架可采用靠近杆件形心线的螺栓准线为轴线,在节点处各轴线应交予一点。
当桁架弦杆的截面变化时,如轴线变动不超过较大弦杆截面高度的5%,可不考虑砌影响。
2、分析桁架杆件内力时,可将节点视为铰接。对用节点板连接的桁架,当杆件为H形、箱形等刚度较大的截面,且在桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1/10或大于1/5(对腹杆)时,应考虑节点刚性所引起的此弯矩。
3、当焊接桁架的杆件用节点板连接时,弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙不应小于20mm,相邻交焊缝焊址间净距不应小于5mm。
当桁架杆件不用节点板连接时,相邻腹杆连接角焊缝焊址间净距不用小于5mm。
4、节点板厚度一般根据所连接杆件内力的大小确定,但不得小于6mm。节点板的平面尺寸应适当考虑制作和安装的误差。
5、焊缝金属应与主体金属相适应。当不同强度的钢材连接时,可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
6、在设计中不得任意加大焊缝,避免焊缝立体交叉和在一处集中大量焊缝,同时焊缝的布置应尽可能对称于杆件形心轴。
焊件厚度大于20mm的角接接头焊缝,应采用收缩时不易引起层状撕裂的构造。
7、在直接承受动力荷载的结构杆件中,垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。角焊缝表面应做成直线形或凹形。焊脚尺寸的比例:对正面角焊缝宜为1:1.5(长边顺内力方向);对侧面角焊缝可为1:1。
角焊缝两焊脚边的夹角α一般为900。夹角>1350或<600的斜角角焊缝,不宜用作受力焊缝。
角焊缝的焊脚尺寸h1(mm)不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。角焊缝的焊脚尺寸h1(mm) 不得小于1.5倍的t的开方,t(mm)为较厚焊件厚度。角焊缝的两焊脚尺寸一般为相等。当焊件的厚度相差较大时,可采用不等焊脚尺寸,
杆件与节点板的连接焊缝宜采用两面侧焊,也可用三面围焊,对角钢构件可采用L形围焊,所有围焊的转角处必须连续施焊。
在本桁架的设计中,按上述原则进行荷载的分配、确定杆件约束等,在PKPM中别进行了水平桁架和竖向桁架的内力计算,所选断面均符号要求。
在通廊桁架的设计过程中,深深体会到,设计时必须全面掌握相关规范,根据结构的实际受力状况,进行多方案比较,确定合理的结构方案,计算模型力求接近实际,只有这样,才能做到结构设计既安全又经济。