无柱间支撑的特殊门式刚架厂房设计_陈海鹏

第25卷第6期2007年12月

天　然　气　与　石　油NaturalGasAndOil

　

Vol.25,No.6

Dec.2007

无柱间支撑的特殊门式刚架厂房设计

陈海鹏

(中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都610017)

摘　要:通过对无柱间支撑特殊门式刚架厂房的分析,结合天然气管道工程的特点,对无柱

间支撑、大柱距的门式刚架厂房设计进行了探讨。介绍了无柱间支撑特殊门式刚架厂房的纵

向稳定措施及基础设计方法。

关键词:天然气管道工程;门式刚架厂房;纵向稳定措施;基础设计文章编号:1006-5539(2007)06-0050-04　　　文献标识码:A

0　前言

随着我国石油天然气工业的快速发展,天然气管道工程建设对工程进度和使用方便也提出了较高的要求。同时,由于天然气气田分布和市场所处的不同地理位置,天然气管道长度少则几十公里多则几百上千公里,沿线地形地貌、地质条件千变万化,为了满足天然气工艺的要求,天然气管道工程的建

筑物很多时候不得不选址于地基承载力较低的场地上。而门式刚架厂房作为典型的轻钢结构,具有自重轻、地基适应能力强、施工周期短等特点,目前在天然气行业应用非常广泛。本文结合靖边压气站压缩机房的工程实践,对无柱间支撑的门式刚架厂房设计进行了探讨。

2　结构形式分析

门式刚架的柱距确定应结合刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因数综合考虑。在刚架跨度较小的情况下,选用较大的柱距,增加檩条、墙架体系用钢量是不经济的。经过大量计算,笔者发现该门式刚架最优柱距应在6m左右。然而为了满足工艺使用要求,该门式刚架柱距须设为12m,且在两榀刚

架之间不得设置柱间支撑。这样,设计时就需要摆脱使用斜交叉支撑传递纵向水平荷载至柱脚的常规作法。该厂房在设计过程中就需要重点解决如何保证厂房纵向结构稳定的问题。同时,随着柱距的加大,结合纵向连接构件的形式,梁柱节点构造、基础设计也应根据具体情况确定恰当的计算模型。

1　工程概况

靖边压气站是为了缓解首都北京用气不足,较少大气污染,确保成功举办2008年“绿色、环保”奥运会而建成的天然气增压输送工程。该工程压缩机房为单层单跨双坡门式刚架,刚架跨度18m,柱高9m,柱距12m,共两榀(考虑纵向扩建),屋面坡度1/10,地震设防烈度6度。永久荷载特征值(水平投影面)0.5kN/m,可变荷载特征值取屋面活载与雪荷载中较大值0.5kN/m,基本风压0.4kN/m,地面粗糙类别A类,结构安全等级二级。

2

2

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3　结构纵向稳定措施

通常情况下,为了保证门式刚架的纵向稳定,设计时往往采用十字形交叉支撑、人字形支撑等简单的支撑体系。支撑体系在门式刚架轻钢结构体系中

具有十分重要的作用,主要体现在以下几方面:将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构;为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点,减少平面外的计算长度;简捷明了地传递风荷载、温度应力、地震力及吊车纵向水平制动力等纵向荷载。

　　收稿日期:2007-02-28

　　作者简介:陈海鹏(1980-),男,四川南充人,二级注册结构工程师,学士,主要从事石油天然气工程结构设计与研究)。

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该厂房柱间距达12m,且为了满足使用要求,

柱间却不得设置常规的支撑体系。厂房横向(18m方向)为门式刚架,横向的结构稳定是可以得到保证的,横向荷载可以通过刚架顺利传至基础。至于厂房纵向(柱距12m方向),作用在山墙上的水平风荷载,大部分需由可靠的柱间支撑传至边柱基础顶部,同时地震力、温度应力也通常通过可靠的柱间支撑传递。倘若不设置柱间支撑,门式刚架本身纵向刚度很小,且该厂房柱与基础的连接采用铰接,纵向结构是不稳定的。在不设置常规的斜交叉支撑的情况下,如何保证刚架的纵向稳定呢?设计时,我们对以下方案进行了比选:

一种是在门式刚架边柱顶部设置有足够刚度的水平系杆,系杆与柱顶刚接,在纵向平面内也形成顶部坡度为零的刚架,以确保厂房在纵向的结构稳定。经计算,满足要求的系杆截面很大,且系杆与刚架立柱的腹板刚接,在连接处产生较大的弯矩,局部应力过大,构造处理困难。

另一种方式则是在门式刚架边柱顶部设置平行弦桁架,上、下弦与边柱只需铰接,就可在纵向平面内也形成顶部水平的刚架,以确保厂房在纵向的结构稳定。采用桁架时,在桁架端头有较大的力臂来传递弯矩,且造型美观,最终被设计选定。3.1　桁架受力分析

本桁架由上弦杆、腹杆和下弦杆组成,构件之间通过与节点板焊接相连。为了减少次应力及焊接应力的影响,腹系中不再设置分腹杆。将作用在山墙上对应区域的风荷载折算成线荷载作用在纵向刚架立柱上(立柱与基础铰接),结合桁架自重,可求得各杆件的内力。桁架杆件布置示意如图1。经计算,上弦杆中1～5号杆件为受压杆,下弦杆中11～12号杆件为受压杆。3.2　桁架杆件选择

桁架设置在相邻横向刚架边柱顶部之间,间距12m的两支座之间无任何侧向支撑,在选择上、下弦截面时,弦杆垂直桁架平面的翼缘应有足够的宽度,才能保证弦杆在桁架平面外的稳定性。为此,上、下弦截面选择组合不等边角钢(短边组合)较为合理,弦杆组合截面需满足GB50017-2003《钢结构设计

[1]

规范》对受压构件容许长细比的规定:

图2　桁架截面示意图

图1　桁架立面杆件布置示意图

式中　l———压杆出平面的计算长度;

　i———组合截面绕平行于填板方向的回转半径。

这时,弦杆平面外的计算长度l不应简单地取为12m,而应取根据桁架受力分析得出的弦杆受压段的长度作为计算长度l(采用桁架结构后,本工程由12m变为了10m,减少1/6)。选出符合要求的截面后,再进行受压构件的整体稳定性计算:

σ=N/(φA)≤f式中　σ———压杆正应力;

　N———压杆轴向力;

　φ———轴心受压构件的稳定系数;

　A———杆件毛截面面积;　f———钢材的抗压强度设计值。

桁架中的受拉杆件长细比λ不宜超过350。经计算,最终选定的桁架上、下弦截面为2L140×90×8(短边组合)。截面形式见图2。

3.3　桁架节点设计

桁架设计的成功与否,除了合理选择杆件截面,

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[2]

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3.3.1　节点杆件布置

实践经验证明,节点处杆件布置直接影响节点的承载能力。

a.杆件节点中如果两杆件边缘之间的间隙太大,虽然施工制作方便,但节点刚度较差。为提高节点刚度,可减少节点处腹杆之间的间隙,但这又有可能导致焊缝重叠和腹杆受力重叠,为了兼顾两者,一般取20mm。

b.应使腹杆中心线尽量相交于弦杆中心线,当其偏心小于弦杆连接肢宽度的1/6时,偏心影响可予以忽略,否则应考虑腹杆偏心的影响,进行偏心计算。

c.节点板应伸出弦杆10～15mm,以便焊接。d.桁架节点板的形状应简单,如矩形、梯形等。以制作简便及切割钢板时能充分利用材料为原则。节点板的平面尺寸应根据杆件截面尺寸和腹杆端部焊缝长度来确定,长度和宽度宜为5mm的倍数,在满足传力要求的焊缝布置的前提下,节点板尺寸应尽量紧凑。一般采用放样确定具体尺寸。

节点处构件布置如图3。

式中　N——腹杆端焊缝、肢背焊缝、肢尖1,N2,N3—

焊缝所分担的内力;

　l——腹杆端焊缝、肢背焊缝、肢尖w1,lw2,lw3—

焊缝计算长度;

　k——肢背、肢尖内力分配系数;a,kb—　N———腹杆轴力设计值;　h———角焊缝的计算厚度,取焊脚尺寸的0.7e倍;　βf———正面角焊缝的强度设计值增大系数,

本桁架取1.22;

　f——角焊缝强度设计值。f—

为了保证焊缝质量,创造良好的施焊条件,杆件之间的夹角一般不宜小于30°。

w

4　基础设计

门式刚架虽然自重较轻,但水平风荷载并未因结构自重的降低而减小,结果造成结构基础垂直反力过小而弯矩较大;另一种情况是刚架自身结构水平推力过大,结果也造成基础弯矩较大,即基础荷载偏心距过大,这给基础设计带来麻烦。

由于门式刚架具有以上受力特点,若柱脚形式采用刚性柱脚可以提高厂房的整体刚度,从而减少侧移。但这样一来,由于刚架自重轻,水平荷载与竖向荷载比值较大,在风荷载等水平力共同作用下,基础一般有较大的弯矩,厂房边柱基础荷载偏心距较大,所以刚性柱脚常用于有吊车或立柱高度较大的门式刚架。该厂房未设置吊车,且柱高仅9m,刚架侧移不是主要控制参数,经过反复比选,决定将柱脚

图3　桁架节点构造示意图

3.3.2　节点焊缝计算

桁架杆件间的连接可采用全周角焊缝,也可部

分采用角焊缝。焊缝应平滑过渡,减少应力集中。本桁架腹杆与节点板采用三面围焊。此时,腹杆端焊缝首先全部达到承载力,且焊缝长度为肢宽,端焊缝能承受的内力:

Nhf1=elw1βff

肢背和肢尖分担的内力:

NN11

N=k;N=k2a3b

22

肢背和肢尖焊缝计算长度:

NN23

llw2;w3hfeef

w

形式采用铰接柱脚。铰接柱脚时,刚架在柱脚处仅

产生竖向轴力和水平剪力,基础荷载偏心距相对于刚性柱脚时较小。对于此时存在的偏心距,通过研究分析,我们比选了以下几种方案。4.1　加大基础压重

在柱脚内力(弯矩、剪力、轴力)和基础形式(长、宽)已确定的情况下,增加基础压重是减少偏心距的较好措施,实际工程中可有以下两种方法操作:

a.厂房设置基础梁,使墙体重量通过基础梁传到基础上,以调节基础偏心距。但受墙体材料、墙高及建筑要求的限制。b.增加基础埋深,此时基础底面以上压重增,,

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臂相应增大,致使降低偏心距的效果并不明显。

另外,以上两种方法都对地基承载力要求较高,而靖边压气站中砂层的地基承载力特征值仅100kPa。4.2　采用偏心基础

该方法只适用于偏心距较小的情况,其原理就是使基础本身受力偏心,相当于针对较大的弯矩(柱脚传来)增加一个反向的弯矩,使基础满足设计要求。该厂房在纵、横两个方向均存在较大的偏心距,故不宜考虑采用偏心基础。

4.3　采用桩基础

考虑到该厂房柱脚偏心距过大,场地浅层承载力较低,设计时最终选定钻孔灌注桩基础。

暴的考验,均能满足正常使用要求,取得了较好的经济效益和社会效益。

门式刚架的优点是节材高效,耗钢少,自重轻,制造安装运输简便,工期短,可拆迁,定型批量生产易于实现商品化等。近年来,在天然气管道工程建设中应用日益广泛。为了满足天然气管道工程使用需要,单层钢结构工业厂房很多时候都不按常规结构形式设置柱间支撑。当柱间距较小时,可采用截面较大的钢系杆构成纵向框架而不设置柱间支撑;当柱间距较大时,钢系杆就不再适用,而应采取其他结构措施实现厂房的纵向稳定。为此,本文对单层轻钢结构房屋为满足使用要求不能设置柱间支撑时提供一种思路。

参考文献:

[1]　GB50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2]　钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册[M].

北京:中国建筑工业出版社,2004,146-148.

5　结论

本工程至今已竣工投产一年多,经历多次沙尘

(上接第40页)

大。因此在设计中要考虑到容量修正系数,在系统设计时要尽量使一个系统的室内外机之间的距离最短,高差最小,对高差大、管路长的系统要适当增加机组的容量,这样才能保证空调使用的效果。

立面产生影响,业主对空调系统相当满意。

在长北气田开发工程中,我们对面积集中的小型办公室、休息室也采用了VRV空调系统,都为一拖四以上,虽然在投资上它比分体机稍贵,但在使用效果、运行费用上都是令人满意的。

3　工程实践

在陕京二线榆林压气站工程、长北气田开发工程中VRV空调都得到了应用。

陕京二线榆林压气站变频器室总面积为约500

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m,被隔成四个小间,之间有门相通,房间要求运行温度范围是26～30℃,湿度小于90%。房间整个冷负荷为110kW,如果采用常规的分体空调柜机3HP/台,则每个房间需要安装4台分体机,一方面室内本身布置为多台柜子,室内机的气流流线受到影响,造成室内局部温度可能超温,另外室外连续布置多台机组对建筑外型影响较大,运行时噪音也非常大。现在选用VRV空调机组,室外机布置在楼顶,室内每间选用4台四面出风的顶嵌入式机组,每台室内机都配有线控和遥控板,能根据设定的温度要求控制室外主机的运行状态。从运行效果来看,室内温度均匀,运行噪声小,运行能耗小,不对建筑外

4　结论

VRV空调技术已相当成熟,不论在国内还是国外已经得到广泛的应用,国内生产厂家较多,选择范围较广。因此在设计中对于150～1000m的小型办公楼、医院、别墅及控制室等,鉴于VRV空调具有节能、控制及安装等方面的优势应该大量采用。

参考文献:

[1]　马最良,姚　杨.民用建筑空调设计[M].北京:化学

工业出版社,2003,87-88.

[2]　GB50019-2003采暖通风与空气调节设计规范[S].[3]　电子工业部第十设计研究院.空气调节设计手册(第

二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.[4]　大金公司.VRV核心技术新论.暖通空调[J].2006,7

(增刊):10-11.

2

NATURALGASANDOIL

SELECTEDABSTRACTS

(BIMONTHLY)Vol.25No.6　Dec.2007

INSTRUMENTATIONANDAUTOMATATION

ApplicationofMainFieldLineControlSystemforElectricallyOperatedValveActuator

LiWeicheng(ChinaPetroleumEngineeringCO.,Ltd.SouthwestCompany,Chengdu,Sichuan,610017,China)NGO,2007,25(6):28-32

ABSTRACT:MainlinecontrolsystemforelectricallyoperatedvalveactuatorPakscanmadebyBritishRotorkCompanyisusedatsta-tionsinlargegaspipelinesforthefirsttime,whichsimplifiesdesignofmonitorsystemanditsabundantdiagnosisinformationandtolera-tioncapacityonfailuresimprovereliabilityofthecontrolsystemgreatly.

KEYWORDS:Mainlinecontrolsystemforelectricallyoperatedvalveactuator;Pakscan;Maincontrolstation;Communicationloop;Doublelinecontrolsystem

UTILITY

DiscussiononRecyclingWaterSystematYulinGasCompressorStation

YouLun(ChinaPetroleumEngineeringCO.,Ltd.SouthwestCompany,Chengdu,Sichuan,610017,China)NGO,2007,25(6):41-44

ABSTRACT:AnalyzedarepracticaloperationconditionsofrecyclingwatersystematYulingascompressorstation,discussedaresomeproblemsexistingindesignofsmallandopenindustrialrecyclingcoolingwatersystemandtheirsolutionsareputforward.KEYWORDS:Openindustrialrecyclingwatersystem;Coolingwater;Waterqualtyanalysis;Stabilizationtreatment

INDUSTRYANDCIVILCONSTRUCTION

DesignofStructuresatYulinGasCompressorStation

HuDaohua,ChenHaipeng(ChinaPetroleumEngineeringCO.,Ltd.SouthwestCompany,Chengdu,Sichuan,610017,China)NGO,2007,25(6):45-49

ABSTRACT:DescribedarecharacteristicsofbuildingsandstructuresatYulingascompressorstation,especialgeographicandgeo-logicalconditionsofthestation.Discussedaregroundsillfoundationdesigncharacteristicsoflargegascompressorstation,selectionofcalculationmodeforgascompressorportalsteelbuildingandparticularityofroofingsupportsystemlayoutandcalculationmodeforopenframestructureofGISroom.Innovativesolutionisputforwardforlargeequipmentinstallationandovercrossinggaspipelineincom-pressorplant.

KEYWORDS:Gascompressorstation;Dynamicalfoundation;Portalsteel;Elasticnodemode;OvercrossingDesignofSpecialPortalSteelBuildingwithoutIntercolumniationSupport

ChenHaipeng(ChinaPetroleumEngineeringCO.,Ltd.SouthwestCompany,Chengdu,Sichuan,610017,China)NGO,2007,25(6):50-53

ABSTRACT:Basedontheanalysisofspecialportalsteelbuildingwithoutintercolumniationsupport,combinedwithfeaturesofnatu-ralgaspipelineprojects,discussedisthedesignofspecialportalsteelbuildingwithoutintercolumniationsupportandwithlargecolumnspacing.Describedarethelongitudinalstabilizationmeasuresandfoundationdesignmethodsofspecialportalsteelbuildingwithoutin-tercolumniationsupport.

KEYWORDS:Naturalgaspipelineproject;Portalsteelbuilding;Longitudinalstabilizationmeasure;Foundationdesign