门式刚架结构型式探讨

刘帅朋

摘要

石化类门式刚架一般采用柱底刚接的全钢结构，钢结构施工方便快捷、易于修改，但钢结构造价较高、刚接柱脚基础短柱尺寸大占地面积多。本文结合工程实例，对比分析刚接柱脚的常规门式刚架、铰接柱脚的常规门式刚架以及牛腿以下柱为混凝土柱上柱为钢结构柱的厂房结构，分析了铰接柱脚常规门式刚架的适用范围，得出高跨比较高时刚接柱脚优于铰接柱脚、混凝土结构柱经济性优于钢结构柱的结论。

关键字：门式刚架；钢结构；混凝土；埋件；刚接；铰接

1绪论

石化行业单层工业厂房多采用门式刚架轻型房屋钢结构型式，此种结构类型具有施工方便快捷、受力明确等优点，但也有钢结构造价较高等缺点。带桥式吊车的厂房柱脚与基础一般设计为刚接，厂房内若有压缩机等设备，需搭建二层平台来检修或操作设备，加上电仪支架以及高位油箱等附属设施需求，总高度一般大于15米，另外二层平台横梁与厂房柱铰接时横梁线刚度为零[6]，因此石化厂房柱在风荷载以及吊车横向水平力作用下位移较大。刚接柱脚石化工业厂房牛腿以下柱多采用钢结构材料，若能用混凝土来替代钢材或能节省工程造价。

本文根据某项目工业厂房实例，对采用刚接柱脚的常规钢结构门式刚架、采用铰接柱脚的常规钢结构门式刚架以及牛腿以上钢结构柱（以下简称上柱）与牛腿以下混凝土柱（以下简称下柱）刚接的厂房结构进行对比，分析了铰接柱脚常规门式刚架的适用范围，并设计了上钢下砼柱节点埋件，最后对比了相关经济性。

2 厂房不同结构型式对比

拟建厂房所在地区抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组第一组，场地类别II类，场地特征周期0.35s，基本风压值0.65kPa，地面粗糙度类别A类；钢结构柱截面大于HW300x300时钢结构材料选用Q345B，混凝土强度等级为C35，受力主筋采用HRB400E级；该厂房设计高度17.8m，纵向三跨均为6m，横向中间跨为单跨16m，横向边跨柱距分别为5m、6m、5m；吊车20/5 t。采用PKPM门式刚架二维设计模块进行计算分析。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》[1]规定有桥式吊车的门式刚架柱顶位移限值为H/400（其中H是刚架柱高度），而石化单层厂房吊车为轻级工作制，对风荷载作用下的位移要求降低为H/300；在吊车水平荷载作用下的位移限值为Hc/600（其中Hc为牛腿顶面到柱底的距离）。为了满足以上两个条件，经分析试算柱脚刚接的常规钢结构门式刚架（以下称：类型一）构件选型如图Fig2.1；柱脚铰接的常规钢结构门式刚架（以下称：类型二）很难满足位移要求，梁柱构件截面尺寸较大，构件选型如图Fig2.2；上钢下砼的厂房结构（以下称类型三）构件选型如图Fig2.3；

Fig 2.1类型一构件尺寸	Fig 2.2类型二构件尺寸	Fig 2.3类型三构件尺寸

风荷载作用下柱顶位移如图Fig2.4~Fig2.6所示，由图所示以上三种类型结构选型在风荷载作用下位移均满足H/300的要求，且位移十分接近。

Fig 2.4类型一风荷载下柱顶位移	Fig 2.5类型二风荷载下柱顶位移	Fig 2.6类型三风荷载下柱顶位移

吊车水平荷载作用下柱顶位移如图Fig2.7~Fig2.9所示，由图所示三种类型结构柱在吊车水平力作用下横向位移也均满足Hc/600的要求。

Fig 2.7类型一吊车水平力下位移	Fig 2.8类型二吊车水平力下位移	Fig 2.9类型三吊车水平力下位移

经分析，此厂房若位于基本风压0.30kPa、地面粗糙类别A类及风荷载更大的地区均受风荷载作用下的位移控制。可见高跨比较大时带有20/5t吊车厂房结构对风荷载更敏感。铰接柱脚钢结构类型构件尺寸较大，不适用在此厂房中。

由于铰接柱脚钢结构厂房柱底仅受剪力和轴力作用，柱底剪力可设置抗剪键来抵抗，对比Fig2.10和Fig2.11可知铰接柱脚柱脚板尺寸较小，对应的基础混凝土短柱尺寸也较小可为厂房内部设备的布置腾出空间，另外铰接柱脚在地基有不均匀沉降时对结构的影响比刚接柱脚要小。

Fig 2.10刚接柱脚	Fig 2.11铰接柱脚

泵棚类厂房一般高跨比和吊车吨位均较小，验证其是否对风荷载和吊车水平荷载不敏感。降低厂房高度9m，将吊车改为5t，试算是否可采用铰接柱脚。通过分析此结构仍受风荷载作用下的位移控制，对比结果如图Fig2.12~Fig2.15所示，由图可知铰接柱脚结构选型尺寸稍大于钢接柱脚结构选型，若选用变截面构件则两者用钢量相差并不大。

Fig 2.12铰接柱脚风荷载下位移	Fig2.13刚接柱脚风荷载下位移
Fig2.14铰接柱脚构件选型	Fig2.15刚接柱脚构件选型

本章小结：

1）此厂房结构受风荷载作用下结构位移控制。此厂房位于基本风压0.30kPa、地面粗糙类别A类及风荷载更大的地区均受风荷载作用下的位移控制。

2）厂房的构件选型：常规的刚接柱脚门式刚架结构下柱选用型钢HW700x400；常规的铰接柱脚门式刚架结构选用翼缘宽度400mm腹板高度1200mm的钢结构柱；上下柱刚接的上钢下砼结构下柱截面尺寸800mmx450mm。从工程经济性等方面考虑铰接柱脚厂房不如其他两种类型，其他两种类型间的经济性对比在第4章中分析。

3）泵棚类厂房结构在吊车吨位较小时选用铰接柱脚结构用钢量稍大于钢接柱脚结构，选用变截面时两者用钢量相差不大。考虑基础布置等因素，选用铰接柱脚结构为优。

3钢结构柱与钢筋混凝土柱经济性对比

满足柱顶位移限值的两类厂房的构件选型如图Fig4.1和Fig4.2所示：

                

Fig 4.1 全钢柱结构构件选型                 Fig 4.2 上钢下砼柱结构构件选型

全钢厂房结构下柱长度为12.66m；上钢下砼厂房下柱插入基础深1.1m总长为13.76m，混凝土柱顶埋件1~埋件3、二层平台连接处埋件和纵向斜撑埋件等总计造价约为2500元。以钢结构价格与钢筋混凝土结构的价格作以对比，其中钢结构价格为从工厂制作到现场安装完成后涂刷防火材料后的价格，混凝土价格为现浇混凝土从搅拌站购买到现场施工完成后的价格：

钢柱型号	每米质量			砼柱截面	每米体积
HW700x400	236.5 Kg	对比		800x450	0.36m3
钢材价格	10000元/吨			混凝土价格	1550元/m3
下柱长	12.66m			下柱长	13.76m
单柱造价	29940.9元			单柱造价	10178元
总造价	239527.2元	总节省	158102.5元	总造价	81424.6元

表4.1

表4.1表明三跨厂房若利用牛腿以上钢结构柱以下为混凝土结构柱的形式可节省约15.8万余元的造价。随着人工成本的增加，以及现场HSE越来越严格的要求，预制钢筋混凝土构件相对现浇构件更具价格优势，下柱采用预制混凝土构件可进一步降低造价。利用混凝土结构柱替代钢结构柱经济优势明显。

4 结语

本文结合工程实例对刚接柱脚门式刚架、铰接柱脚门式刚架以及上钢下砼类厂房三种型式做了对比，总结如下：

1）石油化工单层工业厂房主要受风荷载和吊车水平荷载作用下的位移控制，风荷载较大时主要受风载位移控制；

2）高跨比较大时常规门式刚接柱脚门式刚架优于铰接柱脚门式刚架；

3）泵棚类厂房结构采用铰接柱脚门式刚架与刚接柱脚门式刚架用钢量差别不大，优先选用铰接柱脚门式刚架型式；

4）上柱钢结构、下柱混凝土厂房型式经济性优于刚接柱脚门式刚架。

本文结合具体工程进行分析，望能在工程应用中借鉴参考。

参考文献：

[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB51022-2015 ；

[2]《混凝土结构构造手册》 中国有色工程设计研究院；

[3]《混凝土结构设计计算算例》王依群；

[4] 《简明钢筋混凝土结构计算手册》国振喜；

[5] 钢结构设计标准 GB 50017-2017

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