全自动高架仓库钢结构选型分析 田嘉萌

发表时间:2019/11/11   来源:《基层建设》2019年第23期   作者:田嘉萌1 杜小艺2 陈杭滨3 郑子杰4
[导读] 摘要:针对近年来市场上的全自动无人物流高架仓库单层所需净高大的特点,对该类结构的选型进行技术经济分析并进行结构设计。

        1.航港发展有限公司 北京101300  2.3.4.杭州铁木辛柯建筑结构设计事务所  杭州  311200
        摘要:针对近年来市场上的全自动无人物流高架仓库单层所需净高大的特点,对该类结构的选型进行技术经济分析并进行结构设计。以某实际项目为研究范例,实际分析高架仓库在结构设计时需要注意的事项。分析圆格构柱在此类项目中的可行性,同时对重点结构节点部位进行设计。
        关键词:高架仓库;钢结构;层高较高;柱顶位移;经济性;圆管格构柱
        1引言
        随着我国钢结构产业的快速发展以及国家政策的鼓励和扶持,近年来,新建的工业厂房和仓库一般均选用轻钢结构或网架结构。轻钢结构和网架结构具有施工方便、建设工期短、外形轻巧美观等优点,对有较大跨度和净高要求的工业厂房十分适合。现如今的此类建筑越发呈现大层高、大跨度、大柱距的特点。
        某一高架库库内净高要求达到27.8m,建筑高度31.0m,建筑面积为11502m2(106.5m X 108m)。其位于7度抗震设防区,设计基本地震加速度为0.15g,设计地震分组为第二组。地面粗糙度为B类。基本风压为0.50KN/m2,基本雪压:0.45KN/m2。该结构在水平力作用下,存在柱顶位移较大、柱子有较大拉力、对基础及柱脚要求高等工程难点。为了对结构型式进行优选,从层高、跨度和柱距三个方面对该结构的选型进行对比分析,使得在满足规范要求的同时,结构具有更好的经济性。同时分析格构柱与实腹柱的优劣,其中也考虑圆管格构柱在此类项目中的实用性和经济性。分析结果可供同类型的工程参考。
        2结构选型的分析比较
        (1)影响因素分析
        随着结构层高加大、跨度加大,各荷载对结构产生影响的变化有所不同。在实际结构选型前先以顶点侧移和屋盖中扰度为比较对象,分析单一参数改变对其的影响趋势。具体方式为在竖向荷载和水平作用不变、钢柱钢梁截面相同的情况下,以30m跨度、30米高度单跨刚架为基准,分别保持高度不变而改变跨度、保持跨度不变而改变高度。计算软件采用PKPM4.1.3中门式刚架进行计算。计算后统计表格如以下各图,图中横坐标为变量跨度或层高,单位为m;纵坐标为柱顶位移或跨中扰度,单位为mm。


        由图3,4可见,在结构跨度不变时,随着结构高度的变化,风荷载和水平地震作用对于柱顶侧移的影响都是逐渐增大,但风荷载作用下的顶点位移随高度增加,其数值呈加速上升趋势。而竖向荷载引起的水平构件跨中扰度变化不大,影响很小。
        在没有吊车荷载的情况下,对于钢柱的顶点位移,风荷载的影响比地震作用的影响大。在风荷载作用下的顶点位移比接近1/150时,地震作用下的位移比还有一定的余量。在选型建模时,在满足应力比的同时也满足且接近风荷载作用下柱顶位移要求。
        (2)经济性比较
        经过以上分析所得经验,分析不同情况下在满足规范要求时用钢量情况。具体分析在竖向荷载和水平作用不变的情况下,结合项目实际要求,在30m高度的前提下,重点比较了下列方案。
        方案1:6m柱距实腹式梁柱框排架结构
        方案2:12m柱距实腹式梁柱框排架结构
        方案3:12m柱距H型钢双肢格构柱框排架结构
        方案4:12m柱距圆钢管格构柱框排架结构
        方案5:12m柱距H型钢双肢格构柱(抽柱)框排架结构
        方案6:12m柱距圆钢管格构柱(抽柱)框排架结构
        《钢结构设计规范》中构件容许长细比的规定:根据《钢结构设计规范》GB50017-2017,8.4.4 条规定,受压柱的容许长细比不宜超过150。同时因为本项目屋顶为轻钢屋盖,刚架梁及屋面檩条系统按《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015中相关要求进行设计,其中对工字形截面宽厚比规定如下:工字形截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比,不应大于  15√235/fy;工字形截面梁、柱构件腹板计算高度hw与其厚度tw之比,不应大于250√235/fy。此处,fy为钢材屈服强度。刚架柱及柱间支撑系杆等构件截面宽厚比按《钢结构设计规范》GB50017-2017要求如下:圆管截面的受压构件,其外径与壁厚之比不应超过100√235/fy。


        各方案搭建模型时,均通过适当加强刚架面外刚度,钢梁采用楔形截面让用钢量降低。各方案在模型计算结果于柱顶侧移在1/155左右,应力比0.9左右进行比较。其中方案一中为减少柱距将原设为扶墙柱的柱利用为钢架柱,同时能够降低梁高尺寸,增大室内净高。方案二虽然模型计算中的主钢架梁柱用钢量比方案一较好,但实际结合本项目其抗风柱和墙柱的用钢量占比较大。而方案三以及方案四分别采用了H型钢格构柱与圆钢格构柱,初步计算结果其抗风柱和墙柱亦较大。方案五、六同前两方案思路相同采用格构柱,同时减少刚架柱来增加经济性。经过分析计算,方案五、六主钢架梁柱用钢量占比相比前述两个方案占比小,但考虑到相应抽柱部位需要补充扶墙柱,所以抗风柱、墙柱占比较大。
        在一定范围内,通过减少每跨柱数量,增长跨度会对刚架柱梁用钢量有减少的作用。但因为抗风柱、墙柱以及其他部分用钢量也相应增加,实际工程中各方案用量差距较小。格构柱若不限制肢长,用钢量则可更加优化,但实际的室内建筑空间所需会对其有所限制。
        格构柱的用钢量相对较经济。而随高度增加,格构柱的经济优势相对更大。采用实腹式钢柱则柱截面较大从而导致柱用钢量占比大。而采用格构式钢柱,在相同截面用钢量的情况下,比实腹式钢柱截面的抵抗拒大,从而在钢柱的刚度上有明显优势。反之在相近抵抗拒的情况下,格构式钢柱则能节省较多的用钢量。例如当钢柱高度达到30m,格构柱肢间距1200m,双肢圆管为Φ245X6.5,构件总重为2.3t左右;采用H型截面柱,达到相同刚度时,截面为H900X260X8X12,构件重量达3t左右,且考虑实际构造要求实腹式钢柱还需要添加通长加劲肋。在本项目30m高度时12m柱距的情况下,因肢距有所限制而无明显的经济性优势。
        对于本项目而言(超高单层厂房),柱顶位移较大,往往成为控制结构设计的主要条件。而格构式钢柱承载力高,刚度大,具有更好的变形使用能力,在竖向荷载下其P-△效应不明显。对于减少用钢量、节约造价有优势。且相对于普通实腹式钢柱,格构柱造型更加轻巧美观,面内缀杆能够很好的保证杆件面内的稳定。而对比圆管格构柱和H型截面格构柱,随着钢柱高度的增加以及风荷载的加大,H型截面柱相比格构柱变得更加不经济,且构造上面需要耗费大量加劲肋来满足要求。


        根据以上经验,结合高架库的相关信息进行实际的结构选型。实际结构选型以结构经济合理为主,确保结构安全为前提。在30m高度的前提下,根据建筑的需求设计了如下方案:柱距12m跨度均30m左右的圆钢管格构柱框排架结构。布置图如图5所示。图6为柱顶位移图,各柱顶位移皆满足要求。
        中柱转换节点中梁和柱连接的地方采用常规门刚厂房中的座接式连接,为了便于现场安装以及简化构造。双肢圆管在距离柱顶600mm处中断并进行转换。此二节点能有效地传递梁端弯矩及剪力,且节点域本身构造也满足规范要求。
 
        图9 中柱转换节点
        (2)杯口基础
        本项目的特点是仓库高度较高,因此钢柱底部有较大的弯矩。常规的门刚厂房刚接柱脚常采用外露式柱脚形式,该节点形式在弯矩较大时容易产生转角,实际情况中不容易达到刚接效果。对于本项目,柱脚的连接形式安全、牢固可靠乃是重中之重,因此本项目采用更加可靠的埋入式柱脚。
        格构式钢柱埋入柱脚做法有两种,一种是按常规埋入做法,一种是做成杯口基础,定位安装后再用细石混凝土填实。而采用杯口式基础的做法构造上简单了许多,能够相应节省成本、提高安装速度且能达到很好的嵌固作用。因此本项目采用此种柱脚形式。
        4结语
        经过本项目工程设计,不难发现高层仓库厂房结构的结构柱设计是此类结构的关键,较好的结构选型是一个好的优化开端。本项目中使用格构柱对实腹柱进行替代,同时比较各高度、跨度以及柱距对钢结构截面选择的影响,选择了较优的结构布置。在有效增加柱刚度的同时,又满足节省材料、经济美观等需求。同时根据本项目特性设计节点,使此设计更加简单可靠、经济实用。
        参考文献:(References):
        [1]GB5017-2017钢结构设计规范,北京:中国建筑工业出版社,2017
        [2]GB51022-2015门式钢架轻型房屋钢结构技术规范,北京:中国建筑工业出版社,2015

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