談門式剛架的特點及應用

王紅梅

(西山煤電集團設計院有限公司，山西太原 030053)

0 引言

現今，隨著科技的進步及經濟的快速發展，越來越多的新型材料被應用到工程建設當中，輕鋼結構也被大量運用于工程實踐當中。其中門式剛架作為輕鋼結構的典型代表，因其節省材料、施工周期短等特點，而被廣泛應用于各類工程建設當中。

現階段，門式剛架在設計、制作、安裝等方面已基本形成一體化。經過多年來的工程實踐，證明門式剛架結構在工業廠房及對空間要求較大的建筑中的應用有著重要的意義及價值。

1 門式剛架的特點

1.1 施工周期短

門式剛架的特點主要是輕型、快速、高效，同時采用節能環保新型建材，實現工廠化加工制作、現場施工組裝。因門式剛架的梁、柱等主要構件均可在工廠完成加工制作，再到現場按照工程設計要求進行拼裝，施工方便快捷從而有效縮短了建設周期。相比較而言，門式剛架結構的施工周期，比傳統的鋼筋混凝土排架結構縮短了大約60%。一般采用門式剛架作為結構形式的工業廠房，其所需建造時間僅為50 d～90 d，而鋼筋混凝土排架結構則需要10個月～12個月。

1.2 適用于大空間要求的規則建筑物

鋼材具有強度高、韌性及塑性好的特點，在同等受力情況下，門式剛架結構自重較輕，比較適用于建造一些對跨度及高度要求較大的規則建筑物。同時因門式剛架結構自重較輕的特點，在煤礦建造儲煤所用筒倉結構時，其倉上結構現多用門式剛架結構代替磚混結構：本人在2010年所設計的山西省臨縣華燁煤業有限公司的原煤倉時，倉頂就是采用的門式剛架及鋼框架相結合的結構形式。2010年，本人為山西晉興能源有限公司斜溝礦設計了一座雙跨48 m、檐口高度7 m的工業廠房。因為廠房所處場地為輸煤通道所用皮帶走廊下部，在設計時不僅需要充分利用空間滿足使用要求，還要使每榀剛架及其連接件與已有皮帶走廊支架進行避讓。在這棟倉房的設計中，不僅體現了輕型門式剛架能滿足大空間廠房的要求，同時也體現了輕型門式剛架靈活多變的設計特點。同時由于此廠房在使用方面的限制，劃分的防火分區面積已超出了防火規范中的要求。因此在傳統防火設計的基礎上，在倉房的上部加設了自動噴淋系統，這在我院所設計同類型倉房中也是第一次使用自動噴淋系統。

1.3 防火處理

鋼材雖然屬于不燃燒材料，但耐火性能差。鋼材在高溫下強度降低很快，塑性增大，并且因為鋼材的導熱系數大，是造成鋼結構在火災條件下極易在短時間內喪失承載能力的主要原因。實驗證明，從常溫到150℃時，鋼材性能改變不大;超過150℃后，鋼材的性能會發生較大的變化;達到600℃時，鋼材的承載力將完全喪失。美國世貿大廈因遭遇襲擊，燃燒產生的高溫致使兩幢鋼結構大樓倒塌便是最典型的案例。

鋼結構的防火措施有很多種，目前采用較多的是在構件表面直接噴涂防火涂料。因防火涂料的隔熱性能好，噴涂時不需要增加其他輔助設施，結構的幾何外形一般不會影響噴涂施工，且防火涂料還有一定的美觀裝飾的作用，因此被廣泛應用于工程實踐當中。并且在噴涂防火涂料前，應對構件表面進行徹底除銹，除銹等級應滿足規范及設計要求。經除銹的鋼材表面在檢查合格后應在8 h(濕度大于60%)內進行1遍～2遍底漆涂裝，底漆成分性能不應與防火涂料產生化學反應。常用的防火涂料有薄涂型、厚涂型及超薄型防火涂料，采取防火措施后，門式剛架的耐火極限一般提高到1.5 h～2.5 h，滿足規范及使用要求。

1.4 耐久性

未采取防銹措施的鋼材長期暴露在自然環境中容易銹蝕，特別是處于沿海地區或濕熱條件下的鋼結構。若未為鋼材進行防銹處理，銹蝕會導致構件截面縮小，結構承載能力下降，進而影響結構的安全。所以必須解決構件的防腐問題，主要采用的方法有：

1)金屬保護層：在門式剛架的圍護結構上還是采用傳統的鍍鋅技術，在彩板上有鍍鋁鋅的，它的耐腐蝕性可大大提高。檁條及墻梁一般采用熱浸鍍鋅，鍍鋅標準為A級，鍍鋅量不小于275 g/m2(均為雙面)。

2)涂層法：即在構件表面噴涂油漆或其他防腐涂料，主要用于門式剛架的梁、柱等主要構件，底漆及面漆必須配套使用。施工時，注意涂料、涂裝遍數、涂層厚度均應符合設計及規范要求。因鋼構件的除銹質量對涂層的使用壽命影響率高達49.5%，所以在防腐涂裝前必須對鋼材做防銹處理，并應達到設計所要求的防銹等級。現階段主要采用噴砂除銹，除銹等級應達到Sa2或Sa2.5。

3)復合保護層：門式剛架圍護用彩鋼涂層鋼板是典型的復合保護層。

2 門式剛架的設計

2.1 剛架形式

門式剛架是由梁及柱組成的單榀剛架作為主要承重構件，加設水平支撐、柱間支撐及系桿，同時配以輕型屋配蓋和墻體圍護結構所組成的結構體系。門式剛架的形式主要有單跨、雙跨、多跨剛架以及帶挑檐的剛架等，同時為了滿足采光及通風需要可在屋面設置通風口、采光帶或輕型鋼天窗架。2012年年初，本人為西山煤電集團機電總廠設計了一座雙跨雙坡、每跨均為24 m的支架修理車間，同時為滿足采光要求在屋面加設聚碳酸酯采光帶。車間采用雙跨雙坡的形式是為了方便屋面排水，若改用雙跨四坡的形式，在兩跨的交接處需設置內檐溝用于排水。但由于車間長度為84 m，內檐溝找坡長度過大不利于雨水排出，同時在使用中易出現屋面漏水等情況，所以在同類型廠房設計中，多采用雙跨雙坡或雙跨四坡的形式。門式剛規要求采用帶吊車的門式剛架吊車噸位應不大于20 t，而該車間內每跨均設有50 t/10 t和20 t/5 t的橋式吊車，所以在設計時改用了鋼排架結構。

2.2 荷載的選取

門式剛架設計的主要依據為CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程、GB 50017-2003鋼結構設計規范、GB 50011-2010建筑抗震設計規范。荷載取值應嚴格按規范及實際情況確定，荷載大小不能隨意降低。對于不上人屋面，按《建筑結構荷載規范》規定活荷載取值為0.5 kN/m2，但《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中注明：對受荷水平投影面積大于60 m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取0.3 kN/m2。現在有些門式剛架在設計時，計算選取的荷載不符合規范要求及實際使用情況，造成梁、柱等承重構件截面過小，在實際使用過程中極易出現安全問題。例如2009年我國北方大部分地區出現大到暴雪，許多輕型鋼結構包括門式剛架在內的工業廠房因屋面雪荷載超載而發生垮塌。對設計人員而言，應充分考慮各種可能對結構造成不利影響的因素，適當加大構件尺寸，在滿足安全性的基礎上實現經濟性。一般在利用PKPM中的STS軟件設計計算輕型門式剛架時，將主要構件即梁、柱的應力比控制在0.8～0.9之間。

2.3 剛架的尺寸確定

門式剛架的柱距、跨度及檐口高度主要由建筑的使用要求來確定。門式剛規中注明：剛架的柱距宜為6 m～9 m;跨度宜為9 m～36 m;檐口的平均高度宜為4.5 m～9 m，設有吊車時不宜大于12 m。設計中通過計算發現，在剛架跨度、檐口高度不變的情況下，柱距增大會使單榀剛架的用鋼量降低，但其他構件如吊車梁、墻梁、水平支撐及柱間支撐的用鋼量會相應提高。因此設計時應根據實際情況，確定經濟合理的剛架尺寸。

3 綜合經濟效益

3.1 投資成本低

門式剛架結構本身自重較輕，在地基較好的情況下多采用鋼筋混凝土獨立基礎，可節約造價。對于非保溫性及保溫性的工業與民用建筑，因壓型鋼板和夾芯板施工方便快捷、外形美觀，而作為屋面和墻面的圍護結構被廣泛應用。由于門式剛架在制作及安裝時方便快捷，因而有效縮短了工期，使工程項目盡早投入使用從而獲得經濟效益。

3.2 運營成本低

一項工程的總造價應以該工程的全壽命周期為控制對象。對工程各階段可能發生的全部費用進行整體分析后，采取相應的技術方法，可實現工程全壽命周期成本最優。而鋼材作為一種高強度高效能的綠色環保材料，不僅施工及維護都比較簡便，在建筑報廢后所有鋼材再回收后還能夠繼續循環利用。門式剛架采用壓型鋼板或夾芯板作為圍護結構施工快速、耐久性好，維修方便，因而在使用階段大大減少了維護開支，節約了成本，整體經濟效益好。

4 結語

基于門式剛架結構的各種優勢，現今已被廣泛應用于各類工程建設當中。擴大門式剛架等輕鋼結構的應用范圍，不僅能夠促進建筑業的更快發展，同時可為鋼材消費提供更廣闊的市場，有效加快我國的經濟建設速度。通過加大鋼材市場的投資，培養專業的設計及施工人員，門式剛架結構的發展前景是比較可觀的。

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