談門式剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

王立文

(太原市熱力公司基建處，山西太原 030001)

0 引言

從人類發(fā)展歷史看，建筑結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)體系的產(chǎn)生與發(fā)展總與一定時期的生產(chǎn)和生活水平密切相關(guān)，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中的一支奇葩，必將得到長足的發(fā)展。

1 我國的應(yīng)用情況

我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究起步較晚，但類似門式剛架體系的結(jié)構(gòu)早在建國初期的一些舊工廠改建時已見到。早期的格構(gòu)式剛架的屋面采用薄鋼板、油氈、望板，保溫材料是鋸末、石灰等輕質(zhì)材料，目前我國門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作、安裝技術(shù)已趨于成熟，每年新增建筑面積近200萬m2，應(yīng)用范圍包括各類輕型工業(yè)廠房、體育場館、娛樂場所等公共建筑，倉庫及儲運設(shè)施、超市、零售和商業(yè)服務(wù)等。

2 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的概述

2．1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

門式剛架輕型房屋由主體承重結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)三部分組成。主體承重結(jié)構(gòu)包含鋼結(jié)構(gòu)承重系統(tǒng)和基礎(chǔ)。1)鋼結(jié)構(gòu)承重系統(tǒng)一般由主剛架、支撐系統(tǒng)、系桿等構(gòu)成;基礎(chǔ)一般采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括屋面和墻面兩部分。2)屋面圍護結(jié)構(gòu)由彩色壓型鋼板和檁條共同構(gòu)成，檁條多采用“C”形和“Z”形冷彎薄壁型鋼制作，一般在檁條間順屋面方向設(shè)置拉條，檁條與剛架斜梁間設(shè)有隅撐;墻面圍護結(jié)構(gòu)由彩色壓型鋼板墻板和墻骨架組成。

2．2 荷載作用和傳力路徑

門式剛架輕型房屋承受的外力作用有豎向和水平荷載。豎向荷載主要由橫向主剛架承受，主要傳力路徑為:屋面荷載作用于屋面板→檁條→剛架斜梁→(托架)→剛架柱→基礎(chǔ)。水平荷載有兩個作用方向，即橫向水平作用和縱向水平作用。橫向水平作用主要由橫向剛架承受，剛架依靠其自身剛度抵抗外部作用，傳力路徑為:圍護結(jié)構(gòu)→主剛架→基礎(chǔ)。縱向水平作用通過屋面水平支撐和柱間支撐系統(tǒng)傳遞，縱向風(fēng)荷載作用的傳力路徑為:風(fēng)荷載作用于山墻墻面板→墻梁→墻架柱→屋蓋水平支撐→柱頂系桿→柱間支撐→基礎(chǔ)。

2．3 門式剛架的分類

門式剛架包含多種形式，可從跨數(shù)、高度、屋面的坡向及柱腳的支承條件等多方面進行分類。依據(jù)剛架的跨數(shù)可分為單跨、雙跨和多跨門式剛架結(jié)構(gòu);根據(jù)屋面坡度可分為單坡和雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)。

3 材料指標(biāo)

《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準》明確規(guī)定:“為保證建筑結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度，除進行必要的設(shè)計計算外，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)的材料性能、施工質(zhì)量和維護進行相應(yīng)的控制。”鋼結(jié)構(gòu)所用的主要材料為鋼材，鋼材的脆性與含碳量及硫、磷含量密切相關(guān)。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計由強度、穩(wěn)定和變形共同控制。鋼材牌號和材性的選擇應(yīng)保證承重結(jié)構(gòu)的承載能力和防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，且應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法及工作環(huán)境等因素。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的板件厚度相對較小，構(gòu)件穩(wěn)定性和變形(撓度)常起控制作用。對以強度控制為主的構(gòu)件，可采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，而以變形為主控制因素的構(gòu)件，則采用碳素結(jié)構(gòu)鋼較為經(jīng)濟、合理。

門式剛架、吊車梁和焊接的檁條、墻梁等構(gòu)件宜采用Q235B和Q345A及以上等級的鋼。非焊接的檁條和墻梁等構(gòu)件可采用Q235A鋼。但當(dāng)有根據(jù)時，門式剛架、檁條和墻梁可采用其他牌號的鋼制作;門式剛架輕型房屋的檁條和墻梁多采用冷彎薄壁型鋼，為使構(gòu)件具有合理的承載力，截面幾何尺寸應(yīng)滿足寬厚比等方面的要求。

門式剛架輕型房屋中常用的螺栓包括普通螺栓和高強度螺栓，其中高強度螺栓有承壓型和摩擦型兩類。普通螺栓多用于次要構(gòu)件的連接，主剛架一般采用高強度螺栓連接。

4 設(shè)計提示

設(shè)計提示是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計開始前，收集與結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的建筑功能、建筑所處的環(huán)境條件、地質(zhì)條件、工藝要求及建筑平面布置等一些前期資料準備工作。搜集和整理相關(guān)的資料后，可以為結(jié)構(gòu)方案的確定及結(jié)構(gòu)受力分析創(chuàng)造條件，設(shè)計提示主要有:

1)建筑物的用途。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)可用于工業(yè)建筑中的廠房、倉庫等以及民用建筑中的超市、體育館、展覽館等。不同類別建筑物的功能各異，使用年限、重要性和安全等級等方面也各不相同，建筑要求也有所差別。因此，明確建筑物的功能要求、使用情況和工藝流程，對確定結(jié)構(gòu)重要性、安全等級及結(jié)構(gòu)所受的主要荷載等具有重要意義。

2)建筑物的環(huán)境條件。建筑物的環(huán)境條件實際上涉及其所處的地理位置與局部環(huán)境，結(jié)構(gòu)外荷載如雪荷載、風(fēng)荷載等直接取決于其地理位置，而局部場地條件則對相關(guān)荷載的一些系數(shù)如風(fēng)荷載的地面粗糙度影響度系數(shù)有影響。了解建筑物的環(huán)境條件可準確把握建筑物的外部荷載作用，可確保結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

3)建筑圖是結(jié)構(gòu)體系布置的直接依據(jù)。建筑圖應(yīng)包括平面圖、立面圖和主要剖面圖。工藝布置通過設(shè)備圖表現(xiàn)，應(yīng)包含設(shè)備平面布置圖、地溝及其深度、寬度等平面尺寸、立面圖，復(fù)雜設(shè)備還應(yīng)有剖面圖反映設(shè)備的高度和底面標(biāo)高，對具有固定基礎(chǔ)的設(shè)備，設(shè)備廠商應(yīng)提供基礎(chǔ)布置平面和預(yù)埋螺栓或預(yù)留孔洞的要求。建筑平面圖應(yīng)明確建筑的平面尺寸、采用的柱網(wǎng)尺寸、變形縫和伸縮縫的設(shè)置位置等;建筑立面圖須明確墻體高度、屋面坡向和坡度、氣樓、天溝、雨篷、挑檐等，應(yīng)特別注意與工藝專業(yè)協(xié)調(diào)一致的柱間支撐的位置和形式，此外，還應(yīng)明確屋面與墻體材料及其構(gòu)造，為屋面荷載和墻面材料的計算提供依據(jù)。

4)地質(zhì)條件和場地條件。地質(zhì)條件主要通過地質(zhì)報告反映，依據(jù)地質(zhì)報告確定的地基承載力和建議的基礎(chǔ)形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計者可確定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方案。地質(zhì)報告必須包含基礎(chǔ)設(shè)計所需要的全部指標(biāo)和參數(shù)。由于門式剛架尤其是多跨剛架為多次超靜定結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)的沉陷對結(jié)構(gòu)有一定的影響，因此設(shè)計基礎(chǔ)時一定要認真研究地質(zhì)報告，對軟弱土質(zhì)地基需采取相應(yīng)的處理措施。

我們平常在設(shè)計門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中還要參照一些規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準，現(xiàn)在將我所知道的一些規(guī)范羅列給大家，希望大家能借鑒:

《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準》，該標(biāo)準為結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計提供了基本原則和方法，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的綱領(lǐng)性指導(dǎo)文件，對結(jié)構(gòu)的使用年限、安全等級和設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)滿足的功能要求給出明確的規(guī)定;《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實腹式門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計給出了具體規(guī)定，包括門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則、荷載作用、材料選用和構(gòu)造要求等，規(guī)定了結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件的布置原則。此外還有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等等我就不一一列舉了，但是我們應(yīng)把握規(guī)范的適用范圍及相關(guān)規(guī)范間的相互銜接，則可確保對規(guī)范使用和理解的準確性對特色條件或狀況下的一些規(guī)定，設(shè)計者最好能對照規(guī)范的條文說明進行解讀。

5 結(jié)語

作為一個多年結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，在工作過程中，我不斷的摸索與積累經(jīng)驗，但是我國的經(jīng)濟發(fā)展飛速，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間非常之大，所以我們從業(yè)人員必須不斷的探討、不斷的研究新產(chǎn)生的問題，同時不斷的總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，這樣我們的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計才能穩(wěn)步發(fā)展，才能更好地建設(shè)我們的國家。