钢结构连跨厂房天沟设计
崔文一
(延边大学工学院土木工程系 延吉 133002)
摘 要:在分析传统钢结构门式刚架中天沟缺点的基础上, 将天沟设计成能适应北方地区特殊气候环境, 具有良好的排水功能且又可作为结构杆件的分段式天沟。
关键词:钢结构 分段式天沟 积雪 排水功能 结构杆件
GUTTER DESIGN OF CONTINU OUS SPAN STEE L WORK SH OP
Cui Wenyi
(Department of Civil Engineering ,College of Engineering University 133002)
Abstract :According to the analysis of the gutter the traditional steel structure ,a gutter is designed into one f and suitable for the climate of northern area ,and meanwhile a 1
K eyw ords :steel snow drainage function structural member
(CECS 102:98) 的颁布, 标志着轻型钢结构建筑物具有的可工业化大量生产, 结构上经济合理, 安装周期短, 工艺调整余地大, 可循环使用程度高等优点, 得到了很高的评价和广泛的实际工程应用。与此同时, 轻钢
结构建筑在实际工程的应用中, 暴露出了许多理论、设计、制作、安装等问题, 急待经过研究拿出合理的解决方法。连跨钢结构门式刚架天沟部位经常出现漏水问题(如图1) , 通过多项实际工程的设计和施工, 我们对天沟的设计有了新的认识
。
1-刚架梁;2-刚架柱;3-屋面板;4-通长天沟; 5-刚架中柱;6-落水管;7-一个柱间(柱距)
图2 内排水通长天沟示意
1-天沟
图1 连跨钢结构门式刚架天沟
1 天沟设计
1. 1 传统天沟的分析(通长天沟)
目前钢结构连跨门式刚架结构建筑中, 最常用
的天沟形式为内排水通长天沟(参见图2) 。经过实际设计和使用发现, 这种通长天沟在北方地区存在严重的问题
。
682Industrial Construction Vol 137, Supplement ,2007
1) 天沟深度(高度) 受限制
如图2所示天沟的深度(高度) 受结构尺寸影响, 最大只能等于屋面结构檩条的高度, 蓄水量受限制, 特别是在北方地区冬季很容易积雪堆满, 失去排水功能。
2) 抗渗、防漏性能差
通长天沟一般短则几十米、长则百米以上, 热胀冷缩影响较大的北方地区很难保证不变形、不开裂、
作 者:崔文一 男 1961年10月出生 高级工程师收稿日期:2006-10-20
工业建筑 2007年第37卷增刊
不渗漏。
以上不利因素的影响下, 夏天下暴雨时, 因天沟蓄水量有限, 雨水溢出天沟顺着檐口往建筑物里面渗漏, 特别是冬季, 北方地区一下雪天沟容易堆积填满, 变形受损, 在融化过程中很难起本身排水功能, 这样就经常出现往建筑物内渗漏现象。为了解决以上问题, 经过几年的实践和研究设计出了第二种天沟, 分段式天沟。1. 2 分段式天沟
按每个柱距为一段, 天沟在长度方向断开。(参看图3) 一个柱距间为一个天沟, 采用3mm 厚的钢板折焊而成。从剖面B -B 中可以看出, 竖向有足够的空间可以满足天沟容量要求。接点处理上天沟入水部位增加盖板, 积雪、积灰堆在盖板上面, 雨水和雪融化的水顺着压型钢板波谷流进天沟, 避免天沟堵塞保证天沟正常工作
。
图4中可以看出天沟的位置和水平系杆HC 22位置, 长度方向中心线在垂直方向, 在同一条(轴) 线上, 高度方向位置也很接近, 如果天沟具备水平系杆所要求的强度和刚度, 那么天沟可以一方面做为排水的天沟来用, 另一方面又可以用做水平系杆, 可以省去该部位的水平系杆
。
1-;3跨度;
图. 22. 1 截面参数
分段式天沟本人已在6m 柱距的实际情况下应
用了几次, 通过屋面排水计算确定了如下(图5) 天沟截面尺寸。钢板厚度采用3mm , 经过计算y 1=194mm
。
1-刚架梁;2-刚架柱;3-屋面板;4-盖板;
5-分段式天沟;6-刚架中柱;7-落水管;8-一个柱间(柱距)
图3 分段式天沟示意
1. 2. 1 分段式天沟特点
1) 天沟经过排水计算可以做成足够深度(高
图5 天沟截面尺寸
2
A =(325×2+250+60) ×3=2880mm
度) , 不再受屋面檩条高度的影响, 保证足够的蓄水量以避免雨水溢出天沟, 另外增加盖板后积雪、积灰堆在盖板上避免了天沟的堵塞防止了渗漏。
2) 一个柱距内设置了单独的天沟, 并且用3mm 厚的钢板折焊而成, 具有很好的密封性和足够的强度、刚度, 不因热胀冷缩而受损坏, 从而保证天沟的正常使用。
3) 分段式天沟本身具有一定的强度和刚度, 如果通过力学计算达到有关要求, 就完全可以用作一个结构杆件。
2 天沟在结构上的利用2. 1 天沟在结构中的位置
I X =3874. 4cm , I Y =3656. 74cm i X =11. 6cm , W X =200cm ,
3
42
i Y =11. 3cm W Y =292. 5cm
3
2. 2. 2 力学验算(压弯构件)
荷载(设计值) :
竖向荷载:1.41kN/m
轴向力:225kN
竖向荷载是由天沟本身自重和雨水灌满天沟时的重量组合而成, 轴向力指的是山墙风荷载传过来的力, 取值来自实际设计项目中的最大值(有吊车厂房纵向力由吊车梁来承担, 系杆不承担) 。
(下转第736页)
683
以看出在底部膜面平坦, 曲率较小的地方采用三种情况下找形结果特别相近, 基本重合; 而曲率越大的地方其差异也就越大。通过情况2和情况3曲线的比较可以看出, 不仅要采用变化的弹性模量, 而且要在网格变形较大的顶部采用最高级别的弹性模量才能更好地控制这一区域的网格变形。4 结 论
议对于平坦的膜面找形采用普通的非线性有限元
法, 而对于曲率变化较大的膜面采用本文所提出的方法。
参考文献
1 齐藤嘉仁, 唐泽靖子. 膜结构的现状与展望. 建筑学报,2001(6) :
62-64
2 Wood R D. A Simple Technique for Controlling Element Distor 2tion in Dynamic Relaxation Form 2Finding of Tension Mem 2branes. Computers and Structures ,2002,80:2115-21203 钱若军. 张力结构的分析设计施工. 南京:东南大学出版社,2003:
178
4 卫 东, 沈世钊. 薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究. 哈尔滨建筑大学学报,2000,33(4) :16-205 John W Leonard. Tension Structures :Behavior and Analysis.
New Y ork :McGraw 2Hill Book Company , 19886 张其林. 索和膜结构. 上海:同济大学出版社,2002:124
7 毛国栋. 索膜结构设计方法研究:[].杭州:浙江大
本文通过采用不同的弹性模量提出了一种膜结
构找形方法———控制网格变形的非线性有限元法, 并借助于有限元分析软件ANS YS 使之得以实现。通过计算结果的比较研究可以看出, 整个膜面网格分布和普通的非线性有限元法相比明显地趋向于均匀化, 尤其是曲率较大处未导致剧烈的网格汇聚, 网格变形得到了较好的控制, 为之后的荷载分析和裁减分析的顺利进行奠定了基础。由此证明了本文所提出的找形新方法的策略是正确的。
本文所提出的控制网格变形的非线性有限元方法
, 主要适用于曲率变化较大的情况, 的情况两种方法差别不大, 学,2004:8 , . . 北京:
:839参数化语言的索膜结构找形优化和荷载分:[].南京:河海大学,2005:35
(上接第683页) 1) 强度验算
天沟两侧上部与檩条相连接, 所以实际挠度比
计算出的挠度小多, 并且平面外稳定和局部稳定也不必验算。3 结 语
图6 计算简图
M X =
2
8
=6135kN ・m
+=4518M Pa ≤f =215M Pa , 满足A γX W X 2) 挠度验算
4υ==116mm
3) 整体稳定验算
通过这一研究过程和实际工程中的应用, 认识到分段式天沟确实能克服通长式天沟存在的缺点(特别在北方地区) , 一方面发挥良好的排水功能, 另一方面可以替代水平系杆起结构杆件作用, 节省了部分钢材。
参考文献
1 G B 50017-2003 钢结构设计规范
2 CECS 102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程3 魏明钟. 钢结构1武汉:武汉理工大学出版社,20024 张耀春. 钢结构设计原理. 北京:高等教育出版社,2004
λX =1/i X =51. 7
x β+=69. 9M Pa
N ′EX
215M Pa , 满足
736
钢结构连跨厂房天沟设计
崔文一
(延边大学工学院土木工程系 延吉 133002)
摘 要:在分析传统钢结构门式刚架中天沟缺点的基础上, 将天沟设计成能适应北方地区特殊气候环境, 具有良好的排水功能且又可作为结构杆件的分段式天沟。
关键词:钢结构 分段式天沟 积雪 排水功能 结构杆件
GUTTER DESIGN OF CONTINU OUS SPAN STEE L WORK SH OP
Cui Wenyi
(Department of Civil Engineering ,College of Engineering University 133002)
Abstract :According to the analysis of the gutter the traditional steel structure ,a gutter is designed into one f and suitable for the climate of northern area ,and meanwhile a 1
K eyw ords :steel snow drainage function structural member
(CECS 102:98) 的颁布, 标志着轻型钢结构建筑物具有的可工业化大量生产, 结构上经济合理, 安装周期短, 工艺调整余地大, 可循环使用程度高等优点, 得到了很高的评价和广泛的实际工程应用。与此同时, 轻钢
结构建筑在实际工程的应用中, 暴露出了许多理论、设计、制作、安装等问题, 急待经过研究拿出合理的解决方法。连跨钢结构门式刚架天沟部位经常出现漏水问题(如图1) , 通过多项实际工程的设计和施工, 我们对天沟的设计有了新的认识
。
1-刚架梁;2-刚架柱;3-屋面板;4-通长天沟; 5-刚架中柱;6-落水管;7-一个柱间(柱距)
图2 内排水通长天沟示意
1-天沟
图1 连跨钢结构门式刚架天沟
1 天沟设计
1. 1 传统天沟的分析(通长天沟)
目前钢结构连跨门式刚架结构建筑中, 最常用
的天沟形式为内排水通长天沟(参见图2) 。经过实际设计和使用发现, 这种通长天沟在北方地区存在严重的问题
。
682Industrial Construction Vol 137, Supplement ,2007
1) 天沟深度(高度) 受限制
如图2所示天沟的深度(高度) 受结构尺寸影响, 最大只能等于屋面结构檩条的高度, 蓄水量受限制, 特别是在北方地区冬季很容易积雪堆满, 失去排水功能。
2) 抗渗、防漏性能差
通长天沟一般短则几十米、长则百米以上, 热胀冷缩影响较大的北方地区很难保证不变形、不开裂、
作 者:崔文一 男 1961年10月出生 高级工程师收稿日期:2006-10-20
工业建筑 2007年第37卷增刊
不渗漏。
以上不利因素的影响下, 夏天下暴雨时, 因天沟蓄水量有限, 雨水溢出天沟顺着檐口往建筑物里面渗漏, 特别是冬季, 北方地区一下雪天沟容易堆积填满, 变形受损, 在融化过程中很难起本身排水功能, 这样就经常出现往建筑物内渗漏现象。为了解决以上问题, 经过几年的实践和研究设计出了第二种天沟, 分段式天沟。1. 2 分段式天沟
按每个柱距为一段, 天沟在长度方向断开。(参看图3) 一个柱距间为一个天沟, 采用3mm 厚的钢板折焊而成。从剖面B -B 中可以看出, 竖向有足够的空间可以满足天沟容量要求。接点处理上天沟入水部位增加盖板, 积雪、积灰堆在盖板上面, 雨水和雪融化的水顺着压型钢板波谷流进天沟, 避免天沟堵塞保证天沟正常工作
。
图4中可以看出天沟的位置和水平系杆HC 22位置, 长度方向中心线在垂直方向, 在同一条(轴) 线上, 高度方向位置也很接近, 如果天沟具备水平系杆所要求的强度和刚度, 那么天沟可以一方面做为排水的天沟来用, 另一方面又可以用做水平系杆, 可以省去该部位的水平系杆
。
1-;3跨度;
图. 22. 1 截面参数
分段式天沟本人已在6m 柱距的实际情况下应
用了几次, 通过屋面排水计算确定了如下(图5) 天沟截面尺寸。钢板厚度采用3mm , 经过计算y 1=194mm
。
1-刚架梁;2-刚架柱;3-屋面板;4-盖板;
5-分段式天沟;6-刚架中柱;7-落水管;8-一个柱间(柱距)
图3 分段式天沟示意
1. 2. 1 分段式天沟特点
1) 天沟经过排水计算可以做成足够深度(高
图5 天沟截面尺寸
2
A =(325×2+250+60) ×3=2880mm
度) , 不再受屋面檩条高度的影响, 保证足够的蓄水量以避免雨水溢出天沟, 另外增加盖板后积雪、积灰堆在盖板上避免了天沟的堵塞防止了渗漏。
2) 一个柱距内设置了单独的天沟, 并且用3mm 厚的钢板折焊而成, 具有很好的密封性和足够的强度、刚度, 不因热胀冷缩而受损坏, 从而保证天沟的正常使用。
3) 分段式天沟本身具有一定的强度和刚度, 如果通过力学计算达到有关要求, 就完全可以用作一个结构杆件。
2 天沟在结构上的利用2. 1 天沟在结构中的位置
I X =3874. 4cm , I Y =3656. 74cm i X =11. 6cm , W X =200cm ,
3
42
i Y =11. 3cm W Y =292. 5cm
3
2. 2. 2 力学验算(压弯构件)
荷载(设计值) :
竖向荷载:1.41kN/m
轴向力:225kN
竖向荷载是由天沟本身自重和雨水灌满天沟时的重量组合而成, 轴向力指的是山墙风荷载传过来的力, 取值来自实际设计项目中的最大值(有吊车厂房纵向力由吊车梁来承担, 系杆不承担) 。
(下转第736页)
683
以看出在底部膜面平坦, 曲率较小的地方采用三种情况下找形结果特别相近, 基本重合; 而曲率越大的地方其差异也就越大。通过情况2和情况3曲线的比较可以看出, 不仅要采用变化的弹性模量, 而且要在网格变形较大的顶部采用最高级别的弹性模量才能更好地控制这一区域的网格变形。4 结 论
议对于平坦的膜面找形采用普通的非线性有限元
法, 而对于曲率变化较大的膜面采用本文所提出的方法。
参考文献
1 齐藤嘉仁, 唐泽靖子. 膜结构的现状与展望. 建筑学报,2001(6) :
62-64
2 Wood R D. A Simple Technique for Controlling Element Distor 2tion in Dynamic Relaxation Form 2Finding of Tension Mem 2branes. Computers and Structures ,2002,80:2115-21203 钱若军. 张力结构的分析设计施工. 南京:东南大学出版社,2003:
178
4 卫 东, 沈世钊. 薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究. 哈尔滨建筑大学学报,2000,33(4) :16-205 John W Leonard. Tension Structures :Behavior and Analysis.
New Y ork :McGraw 2Hill Book Company , 19886 张其林. 索和膜结构. 上海:同济大学出版社,2002:124
7 毛国栋. 索膜结构设计方法研究:[].杭州:浙江大
本文通过采用不同的弹性模量提出了一种膜结
构找形方法———控制网格变形的非线性有限元法, 并借助于有限元分析软件ANS YS 使之得以实现。通过计算结果的比较研究可以看出, 整个膜面网格分布和普通的非线性有限元法相比明显地趋向于均匀化, 尤其是曲率较大处未导致剧烈的网格汇聚, 网格变形得到了较好的控制, 为之后的荷载分析和裁减分析的顺利进行奠定了基础。由此证明了本文所提出的找形新方法的策略是正确的。
本文所提出的控制网格变形的非线性有限元方法
, 主要适用于曲率变化较大的情况, 的情况两种方法差别不大, 学,2004:8 , . . 北京:
:839参数化语言的索膜结构找形优化和荷载分:[].南京:河海大学,2005:35
(上接第683页) 1) 强度验算
天沟两侧上部与檩条相连接, 所以实际挠度比
计算出的挠度小多, 并且平面外稳定和局部稳定也不必验算。3 结 语
图6 计算简图
M X =
2
8
=6135kN ・m
+=4518M Pa ≤f =215M Pa , 满足A γX W X 2) 挠度验算
4υ==116mm
3) 整体稳定验算
通过这一研究过程和实际工程中的应用, 认识到分段式天沟确实能克服通长式天沟存在的缺点(特别在北方地区) , 一方面发挥良好的排水功能, 另一方面可以替代水平系杆起结构杆件作用, 节省了部分钢材。
参考文献
1 G B 50017-2003 钢结构设计规范
2 CECS 102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程3 魏明钟. 钢结构1武汉:武汉理工大学出版社,20024 张耀春. 钢结构设计原理. 北京:高等教育出版社,2004
λX =1/i X =51. 7
x β+=69. 9M Pa
N ′EX
215M Pa , 满足
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