談門式剛架輕型鋼結構設計

黃 欣

(山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001)

我國門式剛架輕型鋼結構房屋的應用和研究起步較晚，但是隨著經濟的飛速發展，鋼結構的發展空間將進一步擴大，如今技術已趨于成熟。作為設計人員，要堅持“適用、經濟、美觀”的方針，為我們的生活創造更好的生活環境。

1 結構設計基本原則

結構設計基本原則是結構的基礎，準確把握結構設計基本原則是確保結構設計安全、合理和經濟性的關鍵。

結構設計的目的是確定合理的結構形式和結構體系，使建筑物的結構系統既能滿足使用功能、工藝要求，同時又具有足夠的安全度，且具有良好的經濟性。結構體系是建筑物的重要組成部分，建筑結構體系的設計與建筑設計都必須遵守技術政策和設計規范。1)適用性。結構體系的“適用”原則是針對結構體系的功能要求而言的，結構體系適用性與建筑物的適用功能有密切聯系。建筑物是個綜合體，其設計與施工是由多個專業共同完成的，結構專業僅為其中的一員，要滿足“適用”原則，必然要聯系其他多個專業。結構體系支承各專業的不同荷載，同時又與各專業的設備、設施、管線等相連。結構專業在民用建筑中應盡可能滿足建筑要求，從某種意義上說，結構的初步設計與建筑的方案設計是同步進行的;在工業建筑中，則應同時滿足工藝設計和建筑設計的雙重要求;從本質上講是為了滿足使用要求。2)經濟性。結構設計服務于結構的施工與使用，使用的目的是為了創造效益。公共建筑側重于社會效益，工業建筑則側重于經濟效益。因此，“經濟性”是結構設計的另一個重要方面。“經濟性”原則應從總體上加以分析，不能僅從某一方面孤立地去考察。在很長一段時間內，鋼結構設計以耗鋼量為標準，即耗鋼量低就是先進的設計、是好的結構體系或形式，這在鋼材匱乏的年代，是節約鋼材的一種重要手段，然而，總體而言，單純以耗鋼量為評價標準是不全面的，也不盡合理。對門式剛架輕型鋼結構房屋，全面評價結構體系的合理性應綜合考慮用鋼量、加工制作費、安裝費、施工周期及基礎費用等。因此，結構設計時，必須對結構體系的經濟性進行深入分析和全面的考察，只有綜合效益最佳的方案或結構體系才是合理的。3)美觀性。一般情況下，“美觀”被認為是建筑設計師所關注的一個重要原則，實際不盡然，結構設計同樣要遵循“美觀”原則。對于鋼結構設計，“美觀”的原則可解讀為設計時盡可能使結構桿件的布置和截面選擇“和諧、對稱”。在概念設計階段尤其要注意“美觀”的原則，鋼結構的桿件一般比較纖細，整體結構具有堅實、輕盈和靈巧的特征，對于其中的一些構造桿件如按實際需要設計，則可能會比較細長，在結構充分發揮鋼結構的特點，如構件的計算長度過大等，則會出現截面過于粗大、笨拙的情況，從而失去鋼結構的一些優點。結構工程師往往不重視結構的美觀問題，在結構體系布置與構件設計中僅從工程計算的角度出發，這種觀點和做法是不全面的。“適用、經濟、美觀”是概念設計應遵循的基本原則，通過上述內容的闡述，為明確結構設計的主要目的和任務創造了條件。

2 結構設計

初步設計的任務是確定合理的結構方案;施工圖設計包含結構作用效應分析、構件截面校核與節點、施工圖繪制等工作;施工詳圖是構件加工制作的依據。

2.1 初步設計

在初步設計階段，應確定結構體系的布置方案。雖然門式剛架的基本結構體系已確定，但由于剛架結構系平面結構體系，其空間布置有諸多技術問題需注意:首先是結構的平面布置，主要目的是選擇合理經濟跨度與柱距，跨度與柱距直接影響結構的經濟性，在確定跨度與柱距時既要考慮剛架的單位面積用鋼量，同時還應考慮輔助構件如檁條、墻梁的耗鋼量。其次，在結構平面布置確定后，則必須確保結構的空間穩定性，結構的空間穩定性主要通過支撐和剛性系桿得以實現，確保空間穩定性的設計原則是使結構幾何穩定、傳力路徑明確快捷。第三，選擇合理的節點連接方式和構件截面形式，節點的連接形式直接影響施工周期的長短，截面形式的選擇應考慮結構所在地區的材料供應情況與加工制造水平。

2.2 施工圖設計

1)結構作用效應分析。結構作用效應分析的主要工作是確定結構構件的內力和變形。主要步驟為:根據概念設計確定的結構方案，結合構件的受力狀態和節點構造特征，建立結構的力學計算模型進行結構與構件的作用效應分析。隨著計算機的廣泛應用和結構分析軟件發展水平的不斷提高，結構作用效應分析一般均采用電算程序。

2)構件截面校核和節點承載力驗算。截面校核的任務是驗算構件的承載力是否滿足要求。鋼結構構件的承載力，尤其是存在壓應力的構件，通常由穩定性決定其承載力。構件截面校核包括強度、變形、整體穩定性與局部穩定性等方面的內容，合理的設計應盡可能提高構件的穩定性，充分發揮構件的承載能力，提高穩定性的關鍵是使構件具有適當的長細比，因此構件截面形式和自由支撐長度對構件的穩定性有直接的影響。

3)施工圖繪制。施工圖是構件制作、安裝的技術資料和依據。一般來說，施工圖包含圖紙目錄、結構設計說明、結構平面布置圖、結構立面圖、結構剖面圖、節點詳圖等內容，在鋼結構說明中，應注明建筑結構的設計使用年限、鋼材牌號、連接材料的型號(或鋼號)和對鋼材所要求的力學性能、化學成分及其他的附加保證項目。此外，還應注明所要求的焊縫形式、焊縫質量等級、端面剖平頂緊部位及對施工的要求。

為便于施工詳圖的繪制，結構施工圖中的主剛架剖面圖中還應給出柱端反力和梁柱連接處的節點力。由于鋼結構工程一般存在施工詳圖繪制階段，因此對圖面標示要求更高。結構圖的設計應能給構件加工和安裝提供所有的必要信息，結構設計人員必須要摒棄“圖中未盡事宜在技術交底時解決”的陋習。

2.3 施工詳圖繪制

施工詳圖主要是為了構件的加工制作，而對結構圖按構件進行“拆”圖，施工詳圖一般由鋼結構制造企業完成，也可由設計單位提供。施工詳圖繪制最主要的任務是確保構件尺寸準確，為放樣提供依據，同時還應注意構件拼接位置的確定。

總之，結構設計不同階段具有各自的特點，設計時應全面把握其中的主要矛盾，根據結構設計的基本原則，采用合理的技術措施，使結構設計能實現安全、耐久、美觀和經濟的設計目標。