淺談門式鋼架的設(shè)計

摘 要：輕型門式剛架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比具有很多優(yōu)點，例如：造價低、質(zhì)量輕、安裝簡易、施工過程短等優(yōu)點，在工業(yè)廠房的設(shè)計中中得到越來越多的青睞。本文對近年來為業(yè)界越來越多使用的門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了深入而廣泛的探討，并根據(jù)筆者的實踐經(jīng)驗提出了 相關(guān)論述，僅供參考。

關(guān)鍵詞：門式剛架結(jié)構(gòu) 計算長度 荷載 剛接 鉸接

前言

輕型鋼結(jié)構(gòu)是近半個世紀(jì)來，國內(nèi)外應(yīng)用與發(fā)展速度最快、使用最多的新型鋼結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用和較大空間的公共建筑，除了具有傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的施工速度快、結(jié)構(gòu)空間大等優(yōu)點外，還具有鋼材用量更少、建筑類型更自由、造價低廉等更大的綜合優(yōu)勢。特別是近年來，鋼結(jié)構(gòu)在我國的迅猛發(fā)展，使得門式剛架結(jié)構(gòu)體系作為一種有較大優(yōu)勢的輕型鋼結(jié)構(gòu)，在我國更是大量的設(shè)計和使用。近十幾年來，我國彩色鋼板的產(chǎn)量大大增加，與此同時焊接H型鋼從出現(xiàn)，到廣為使用，也不過十幾年，這都為門式剛架的大量使用創(chuàng)造了客觀的物質(zhì)條件，目前，我國建成門式剛架結(jié)構(gòu)工程已達(dá)上千萬平方米，據(jù)不完全統(tǒng)計每年還在以幾百萬平方米的速度增加。

1、屋面活荷載的確定

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 （GB50017）作為門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》可知：不上人屋面的活荷載為0. 5kN/m2，如果構(gòu)件的承受荷載面積大于60m2時，可以取面積折減系數(shù)0. 6，門式剛架上部的承載面積一般都大于60m2，基本都滿足此條件，故設(shè)計時活荷載可取值為0.3 kN /m2，此種取值對于剛架的設(shè)計應(yīng)該是沒有問題的，但是全面考慮整個屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面檁條和屋面板，如果全部設(shè)計都按照0.3kN /m2取值，偏于冒險，我們參考了國外相關(guān)規(guī)范考慮到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷載。而筆者查閱相關(guān)的規(guī)范，包括：《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018）和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102：2002）都未對此問題作出規(guī)定，據(jù)筆者所見現(xiàn)在有的框架梁過細(xì)，檁條過小，有明顯克扣荷載的現(xiàn)象，如果遇到特殊的超載情況例如大風(fēng)、大雪或其他原因，整個結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)安全隱患，所以筆者還是建議活荷載取0. 5kN /m2。

2、結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計方法及考慮抗震影響的設(shè)計

門式剛架由于其受力情況，一般都采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計，而變截面結(jié)構(gòu)必須采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力（《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求），彈塑性分析方法僅在結(jié)構(gòu)均為等截面構(gòu)件時才使用。變截面門式剛架一般均采用平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，而不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。由于單層門式剛架結(jié)構(gòu)自重小，承載力一般不考慮地震作用效應(yīng)組合，所以我們既可以認(rèn)為不需進行抗震計算。但按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，對于寬度較大的剛架或豎向高度很大的剛架，或長度很大的縱向剛架，包括有夾層、吊重、橋式吊車等結(jié)構(gòu)情況，則必須考慮地震作用效應(yīng)，必須進行包括地震荷載作用的組合驗算。筆者對不同情況進行了計算分析可知，對于單層門式剛架（無吊車），地震烈度考慮為6度至7度時，地震作用對門式剛架的設(shè)計沒有任何影響；對于地震烈度為8度或更大時，同時考慮剛架的跨高比大于3.5，地震作用對門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然沒有任何影響；當(dāng)剛架的跨高比設(shè)定為1.5~3.5時，地震作用對門式剛架的設(shè)計起到較大作用，且跨高比為 1.5 時，地震作用的影響最大。

3、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計過程除了保證正常使用的安全外，還要最大可能的發(fā)揮出門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)的長處和優(yōu)點。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在生產(chǎn)過程中任意性較大，輕質(zhì)屋（墻）面的布置十分靈活。上述優(yōu)點保證了門式剛架輕型房屋的生產(chǎn)和施工基本可以做到量體裁衣。也就為我們設(shè)計者提出了保證設(shè)計合理化、結(jié)構(gòu)安全化、降低投資造價等優(yōu)化要求。

3.1.結(jié)構(gòu)跨度的確定

廠房跨度往往由生產(chǎn)工藝流程和廠房使用功能等因素決定著，大部分投資方都會要求設(shè)計者按照自己的使用需要，確定經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)跨度。在滿足使用者的生產(chǎn)工藝和使用功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)的高度是確定結(jié)構(gòu)的跨度的較大影響因素。經(jīng)過筆者比對演算，如果確定柱高及上部荷載，適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)跨度，整體結(jié)構(gòu)的用鋼量并無較大程度增加，但是加大了可利用空間，降低了基礎(chǔ)造價，取得了較大的綜合效益。

經(jīng)驗算可知，設(shè)定檐高為6m、柱距為7.5m，且荷載情況完全相同時，跨度在18~30m范圍內(nèi)的剛架，單位面積用鋼量（Q235B）為18~28kg/m2，當(dāng)跨度在 21~48m范圍內(nèi)的剛架，單位用鋼量為25~40kg/m2。但是，一旦跨度超過48m時盡量采用多跨剛架（且中間必須設(shè)置搖擺柱），其用鋼量與單跨剛架比較，節(jié)約 18%左右，因此設(shè)計門式剛架時，必須根據(jù)具體情況、投資者的要求來選擇合理跨度的剛架，而不宜盲目追求大空間、大跨度。

3.2.結(jié)構(gòu)最優(yōu)柱距的確定

剛架柱距的選擇需考慮如下因素：1、剛架的跨度2、屋面荷載3、檁條形式，如果要求為較小剛架跨度，而選用了較大的柱距，會增加檁條使用量，加大了用鋼量，這對業(yè)主而言是不負(fù)責(zé)任的。門式剛架存在著最優(yōu)柱距范圍，即門式剛架的柱距應(yīng)設(shè)定在6m~9m之間，超過9m時屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加過多，沒有達(dá)到減少造價的目的。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)給予重視的幾種情況

4.1. 柱腳螺栓抗剪及抗拔

近年來，各地出現(xiàn)多起使用中的門式剛架輕鋼房屋被大風(fēng)將錨栓拔起，造成較嚴(yán)重的事故，所以《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定，必須進行柱腳錨栓的抗拔驗算。柱腳錨栓不能參加抗剪，水平反力應(yīng)由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力承受，超出時應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。

4.2. 隅撐設(shè)置

隅撐的作用是保證剛架在斜梁受壓下翼緣和剛架柱受壓翼緣出平面外穩(wěn)定，是重要的控制構(gòu)件穩(wěn)定性的構(gòu)件。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定“在檐口位置，剛架斜梁與柱內(nèi)翼緣交接點附近的檁條和墻梁處各設(shè)一道隅撐”，就是為了保證該處的穩(wěn)定性。部分柱也應(yīng)該設(shè)置隅撐，必須根據(jù)實際情況計算后設(shè)置，而當(dāng)遇到較高柱時，必須分段后，驗算平面外的穩(wěn)定性。

4.3.柱間縱向支撐設(shè)置

部分多跨門式剛架輕鋼房屋，往往只在邊跨設(shè)置柱間支撐，卻沒有在中間柱列設(shè)置柱間支撐。為了保證使用的安全性，建議如果不能設(shè)置中跨柱間交叉支撐時，可設(shè)置人字支撐等其他形式的支撐，或采用縱向支撐。

5、結(jié)語

由于我國輕鋼結(jié)構(gòu)起步較晚，在理論和實踐中與世界先進水平仍有較大差距，所以建議在設(shè)計中，對于門式剛架構(gòu)件的截面尺寸需經(jīng)多次試算才可確定。目前部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗還很少，選擇的截面形式容易造成結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力不均，且經(jīng)濟指標(biāo)不合理，甚至影響整體結(jié)構(gòu)的安全度。因此為了保證安全、增加經(jīng)濟效益，必須要求相關(guān)設(shè)計人員進一步扭轉(zhuǎn)我們的設(shè)計觀念，以工程的設(shè)計質(zhì)量為先，推動我國門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的向前發(fā)展。

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