談輕鋼結構單層廠房的設計

陳煒琴

(山西國辰建設工程勘察設計有限公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

隨著國家可持續發展戰略的實施，高能耗、低效率和破壞環境的建筑材料將逐步退出市場，取而代之的將是低耗、高效、環保的新型建材。鋼材作為可再生利用和高效的材料，逐漸在建筑行業中占有主導地位，尤其是輕鋼結構近幾年在單層工業廠房中逐漸取代鋼筋混凝土排架結構而成為一種新型的結構體系。輕鋼結構具有自重輕、工廠化和商品化程度高、施工速度快、綜合經濟技術指標低等優點。下面就輕鋼結構單層工業廠房設計的要點及其構件設計方法簡單敘述如下，以供參考。

1 輕鋼結構單層廠房設計的要點

1.1 結構體系

1)門式剛架分為單跨、雙跨、多跨以及帶挑檐的和帶毗屋等多種形式。多跨剛架中柱與剛架梁的連接可采用鉸接。

2)輕型鋼結構工業廠房結構體系中，屋面常采用有檁體系，檁條間距為1.5 m，屋面板為壓型鋼板或夾芯板，檁條采用冷彎C型鋼或高頻焊接薄壁H型鋼;外墻采用有墻梁體系，墻梁間距為1.5 m～2.1 m，墻面板為壓型鋼板或夾芯板，墻梁采用冷彎C型鋼或高頻焊接薄壁H型鋼。主剛架梁下翼緣和主剛架柱內側翼緣平面外的穩定性，可通過在剛架梁下翼緣和檁條間或剛架柱內側翼緣和墻梁之間設置的隅撐來保證。主剛架之間的水平支撐可采用張緊的圓鋼或角鋼。

3)根據跨度、高度和荷載不同，門式剛架的梁柱可采用變截面或等截面實腹焊接工字鋼或成品H型鋼截面。單層廠房中當設有橋式起重機時，柱截面宜采用等截面構件。

4)輕鋼結構工業廠房剛架柱基礎，剛架柱柱腳與鋼筋混凝土基礎的連接可按鉸接或剛接，當廠房內設有橋式起重機時按剛接連接，其他情況按鉸接連接。

焊接實腹式工型截面門式剛架承重結構由剛架和基礎兩部分組成。門式剛架承重結構體系的剛架、檁條(或墻梁)以及壓型鋼板間通過可靠的連接和支撐相互依托，體系受力更趨向于空間化。

1.2 結構布置

1.2.1 屋面結構平面布置

單層廠房輕剛結構房屋伸縮縫的設置:當房屋縱向長度不小于300 m，橫向長度不小于150 m時需要設置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫的做法有兩種:檁條連接處的螺栓孔采用橢圓孔或設置雙排柱，使結構有足夠的伸縮空間;吊車梁與柱的連接處宜采用橢圓孔。

屋面檁條的布置，應考慮天窗、通風屋脊、采光帶等因素的影響，屋面壓型鋼板厚度和檁條間距應按計算確定。

1.2.2 墻面墻梁布置

單層廠房輕剛結構房屋墻面墻梁的布置，應根據門窗的位置、大小確定墻梁的位置，另外設有挑檐、雨篷時還應增設墻梁等構件，墻梁的規格尺寸應由計算確定，同時還應考慮墻面板的規格，考慮到廠房的美觀，一般墻面梁設在主剛架柱的外側。

1.2.3 支撐布置

橫向水平支撐和豎向柱間支撐可提高剛架的整體剛度，并能承擔和傳遞水平力，防止桿件產生過大的振動，避免壓桿的側向失穩，可保證結構安裝時的穩定。

1)當設有溫度伸縮縫時，在每個溫度伸縮單元應分別同時設置橫向水平支撐和豎向柱間支撐以形成幾何不變、穩定的空間結構體系。

2)橫向水平支撐一般設置在溫度伸縮單元兩端第一開間剛架梁上翼緣，在水平支撐交叉的節點處應設置剛性系桿。橫向水平支撐的間距不大于45 m。橫向水平支撐既可以采用十字交叉圓鋼，又可以采用雙角鋼作支撐。

3)當溫度伸縮單元長度不超過90 m時，在溫度伸縮單元兩端第一開間的上柱處設置上柱柱間支撐，在溫度伸縮單元中間的柱開間內分別設置上下柱柱間支撐。上柱柱間支撐為單片角鋼，連接在柱腹板的中間，下柱柱間支撐為雙片角鋼，連接在下柱兩側翼緣。值得注意的是在溫度伸縮單元的端部不設下柱柱間支撐。

4)在剛架轉折處應沿房屋全長設置剛性系桿。

1.3 輕鋼結構廠房鋼構件的設計

1.3.1 主要承重構件(剛架)內力計算方法

剛架的內力計算方法分彈性分析和塑性分析方法，變截面門式剛架通常采用彈性分析方法，等截面門式剛架通常采用塑性分析方法，同時還應滿足現行《鋼結構設計規范》的相關要求。

1.3.2 門式剛架位移(側移)計算

當屋面坡度不大于1∶5時，柱頂在水平力H作用下的位移(側移)u，可按下列公式計算:

柱腳鉸接剛架:

柱腳剛接剛架:

其中，h，L分別為剛接柱高度和剛架跨度;Ic，Ib分別為柱和橫梁的平均慣性矩;H為剛架柱頂等效水平力;ζt為剛架柱與剛架梁的線剛度比。

1.3.3 構件強度計算

工型截面受彎構件在剪力、彎矩共同作用時，強度按下式進行計算:

當 V≤0.5Vd時，M≤Me;當0.5Vd≤V≤Vd時，M≤Mf+(Me－Mf)［1 －(V/0.5Vd－1)2］。

當截面為雙軸對稱時:

Mf=Af(hw+t)f。

其中，Mf為兩翼緣所承擔的彎矩;Me為構件有效截面所承擔的彎矩，Me=Wef，We為構件有效截面最大受壓纖維的截面模量;Af為構件翼緣的截面面積;Vd為腹板抗剪承載力設計值，Vd=hwtwfv'。

1.3.4 構件穩定計算

軸心受壓構件(工型截面)局部穩定計算:

受壓翼緣:

其中，b為受壓翼緣自由外伸寬度;t為受壓翼緣的厚度;fy為鋼材屈服強度;hw為腹板的計算高度;tw為腹板的厚度。

1.4 剛架柱基礎的設計

1.4.1 基礎形式

門式剛架輕型房屋鋼結構常用的基礎形式有:1)鋼筋混凝土獨立基礎，一般用于地基承載力比較大，土質比較均勻的情況。2)柱下條形基礎多用于加固工程中，在處理新舊建筑物基礎時，可以避免對舊建筑物基礎造成不利的影響。3)樁基礎一般用于深基礎，地基回填土較多、持力層較深的情況。

1.4.2 基礎的設計

1)輕鋼結構廠房門式剛架柱基礎通過鋼板與鋼筋混凝土基礎之間連接采用鉸接或剛接柱腳。

2)柱腳錨栓應采用Q235鋼或Q345鋼制作。錨栓的錨固長度應符合GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范的規定，為抵抗上拔力錨栓端部設置彎鉤或錨板，錨栓的直徑不小于24 mm，且應采用雙螺母或采取防止螺帽松動的有效措施;柱腳錨栓按下柱柱間支撐傳遞的縱向風荷載和吊車剎車力或縱向地震作用的上拔力計算。剛架柱底部的水平力由柱腳底板與鋼筋混凝土基礎頂面之間的摩擦力來承擔，若還不滿足須設置槽鋼或角鋼抗剪鍵。計算柱腳錨栓的受拉承載力時，應采用螺紋處的有效截面面積。

2 工程中易出現的問題及改進措施

門式剛架輕型房屋鋼結構自重輕，其基礎的受力與一般單層鋼筋混凝土排架柱廠房不同，對輕鋼結構單層工業廠房基礎的設計應給予足夠的重視。在實際工程中，當風荷載較大時有的剛架柱被拔起，其原因可能是在設計剛架柱基礎時未考慮柱間支撐傳來的縱向風荷載或因設置的柱間支撐少而傳給剛架柱基礎的拉力大且柱腳未采取有效的錨固和抗拔措施而引起的。所以，當風荷載較大時應考慮縱向支撐傳給柱腳基礎的拉力，而且在設計柱腳基礎時應考慮抗拔構造措施，如錨栓端部設彎鉤或錨板等。

3 結語

輕鋼結構具有自重輕、工廠化和商品化程度高、施工周期短、節能環保等明顯的優點。輕鋼結構門式剛架設計在單層工業廠房中越來越得到人們的青睞，但它畢竟還是一個新生事物，需要我們設計人員在工程設計中不斷的探索、改進、回訪中積累經驗，進而解決在工程設計中遇到的新技術、新問題。新技術、新材料的應用給設計人員提供了鍛煉的機會，帶來了新的挑戰，只要對不斷出現的新技術、新材料、新問題勇于探索、勇于創新，就能攻克難關，從而使新技術、新材料得到廣泛應用，我們的設計水平也會有較大的提高。

［1］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程［S］.

［2］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.