談門式剛架的結構設計

王立文

(太原市熱力公司基建處，山西太原 030001)

0 引言

從人類發展歷史看，建筑結構與結構體系的產生與發展總與一定時期的生產和生活水平密切相關，門式剛架輕型房屋鋼結構作為現代鋼結構中的一支奇葩，必將得到長足的發展。

1 我國的應用情況

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

2 門式剛架輕型房屋鋼結構的概述

2．1 結構構成

門式剛架輕型房屋由主體承重結構、圍護結構和輔助結構三部分組成。主體承重結構包含鋼結構承重系統和基礎。1)鋼結構承重系統一般由主剛架、支撐系統、系桿等構成;基礎一般采用鋼筋混凝土獨立基礎。圍護結構系統包括屋面和墻面兩部分。2)屋面圍護結構由彩色壓型鋼板和檁條共同構成，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置拉條，檁條與剛架斜梁間設有隅撐;墻面圍護結構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。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:圍護結構→主剛架→基礎。縱向水平作用通過屋面水平支撐和柱間支撐系統傳遞，縱向風荷載作用的傳力路徑為:風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。

2．3 門式剛架的分類

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

3 材料指標

《建筑結構可靠度設計統一標準》明確規定:“為保證建筑結構具有規定的可靠度，除進行必要的設計計算外，還應對結構的材料性能、施工質量和維護進行相應的控制。”鋼結構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。門式剛架輕型房屋鋼結構一般采用碳素結構鋼或低合金高強度結構鋼。

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

門式剛架、吊車梁和焊接的檁條、墻梁等構件宜采用Q235B和Q345A及以上等級的鋼。非焊接的檁條和墻梁等構件可采用Q235A鋼。但當有根據時，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，為使構件具有合理的承載力，截面幾何尺寸應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件的連接，主剛架一般采用高強度螺栓連接。

4 設計提示

設計提示是鋼結構設計開始前，收集與結構設計相關的建筑功能、建筑所處的環境條件、地質條件、工藝要求及建筑平面布置等一些前期資料準備工作。搜集和整理相關的資料后，可以為結構方案的確定及結構受力分析創造條件，設計提示主要有:

1)建筑物的用途。門式剛架輕型房屋鋼結構可用于工業建筑中的廠房、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，對確定結構重要性、安全等級及結構所受的主要荷載等具有重要意義。

2)建筑物的環境條件。建筑物的環境條件實際上涉及其所處的地理位置與局部環境，結構外荷載如雪荷載、風荷載等直接取決于其地理位置，而局部場地條件則對相關荷載的一些系數如風荷載的地面粗糙度影響度系數有影響。了解建筑物的環境條件可準確把握建筑物的外部荷載作用，可確保結構設計安全。

3)建筑圖是結構體系布置的直接依據。建筑圖應包括平面圖、立面圖和主要剖面圖。工藝布置通過設備圖表現，應包含設備平面布置圖、地溝及其深度、寬度等平面尺寸、立面圖，復雜設備還應有剖面圖反映設備的高度和底面標高，對具有固定基礎的設備，設備廠商應提供基礎布置平面和預埋螺栓或預留孔洞的要求。建筑平面圖應明確建筑的平面尺寸、采用的柱網尺寸、變形縫和伸縮縫的設置位置等;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，應特別注意與工藝專業協調一致的柱間支撐的位置和形式，此外，還應明確屋面與墻體材料及其構造，為屋面荷載和墻面材料的計算提供依據。

4)地質條件和場地條件。地質條件主要通過地質報告反映，依據地質報告確定的地基承載力和建議的基礎形式，結構設計者可確定結構的基礎方案。地質報告必須包含基礎設計所需要的全部指標和參數。由于門式剛架尤其是多跨剛架為多次超靜定結構，基礎的沉陷對結構有一定的影響，因此設計基礎時一定要認真研究地質報告，對軟弱土質地基需采取相應的處理措施。

我們平常在設計門式剛架輕型房屋鋼結構中還要參照一些規范、規程和標準，現在將我所知道的一些規范羅列給大家，希望大家能借鑒:

《建筑結構可靠度設計統一標準》，該標準為結構的可靠度設計提供了基本原則和方法，是結構設計的綱領性指導文件，對結構的使用年限、安全等級和設計使用年限內應滿足的功能要求給出明確的規定;《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》對承重結構為單跨或多跨實腹式門式剛架結構的設計給出了具體規定，包括門式剛架輕型房屋鋼結構的設計原則、荷載作用、材料選用和構造要求等，規定了結構形式和構件的布置原則。此外還有《鋼結構設計規范》《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》《建筑結構荷載規范》《建筑抗震設計規范》等等我就不一一列舉了，但是我們應把握規范的適用范圍及相關規范間的相互銜接，則可確保對規范使用和理解的準確性對特色條件或狀況下的一些規定，設計者最好能對照規范的條文說明進行解讀。

5 結語

作為一個多年結構設計人員，在工作過程中，我不斷的摸索與積累經驗，但是我國的經濟發展飛速，鋼結構的發展空間非常之大，所以我們從業人員必須不斷的探討、不斷的研究新產生的問題，同時不斷的總結經驗和教訓，這樣我們的鋼結構設計才能穩步發展，才能更好地建設我們的國家。