門式剛架輕型房屋鋼結構設計方法及其應用

潘新瑩，伊 震，閆素美，涂 蕊

（中國寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 1130061）

輕型門式剛架結構是石油化工生產(chǎn)裝置建構筑物廣泛采用的一種形式，尤其是用于需要考慮泄爆設計的壓縮機廠房。這種結構形式具有用鋼量省，自重輕，施工方便快速，造型樸素大方的特點。筆者結合自己的設計經(jīng)驗，總結了這類結構設計時需要特別注意的問題。

1 門式剛架適用的結構

主剛架適于具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20 t的A1～A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構。

懸掛吊車不宜大于3 t，因為輕型房屋的剛度相對差，懸掛吊車噸位大，可能導致剛架撓度難于滿足要求或設計效果不經(jīng)濟。

適于起重量不大于20 t，工作級別為中、輕級，即工作級別A1～A5橋式吊車，否則噸位大、剎車力大、荷載大，造成廠房不經(jīng)濟。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》（CECS 102︰2002 ，以下簡稱門規(guī)）適用于具有輕型屋蓋和輕型外墻的房屋，主剛架跨度不大于36 m，檐口高度不大于15 m，當橋式吊車起重量不大于10 t、沒有較大的吊掛荷載以及基本風壓不大于 0.6 kPa且抗震設防烈度不大于7度時，檐口高度可放寬至18 m[4]。附錄A采用的風荷載系數(shù)適用于屋面坡度不大于10度，屋面平均高度不大于18 m，房屋高寬比不大于 1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸的門式剛架輕型房屋[4]。在設計實踐中經(jīng)常會遇到超出上述限制的鋼結構廠房，我們仍然可以采用門式剛架鋼結構，但此時門規(guī)已經(jīng)不再適用，應按《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定的柱頂位移限值、撓度限值、構件變形和支座位移允許值等規(guī)定執(zhí)行。結構體系布置時屋蓋宜設置縱向水平支撐和橫向水平支撐，一起構成封閉的支撐體系，增強房屋整體剛度。剛架柱和斜梁必須采用剛性系桿來保證其側向穩(wěn)定；支撐不宜采用圓鋼，宜采用型鋼；中柱不宜采用搖擺柱；柱腳宜采用剛接，柱子宜采用階梯形。

2 設計中應引起重視的問題

（1）基本風壓應乘以1.05的調整系數(shù)[1]。

（2）抗震驗算時結構的阻尼比可取0.05[2]，鋼結構在多遇地震下的阻尼比,不超過 12層的可采用0.035[3],超過12層的可采用0.02[3]。單層廠房鋼結構在多遇地震下的阻尼比宜取0.05[2]。

（3）柱腳宜設計成鉸接節(jié)點，當用于工業(yè)廠房且有5 t以上橋式吊車時，柱腳宜設計成剛接。抗震設防烈度為8、9度時，柱腳應采用插入式或埋入式柱腳。

（4）在設有駕駛室且起重量大于15t橋式吊車的跨間，應在屋蓋邊緣設置縱向支撐桁架。

（5）當設有起重量不小于5 t的橋式吊車時，柱間宜采用型鋼支撐。在8度及以上地震區(qū)或地震作用效應組合起控制作用時，門式剛架房屋的屋面橫向水平支撐和柱間支撐亦應采用型鋼支撐。

（6）屋面橫向水平支撐與柱間支撐應布置在同一跨間內。布置在同一跨間內的屋面橫向水平支撐和柱間支撐同門式剛架一道構成穩(wěn)定的空間結構體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又方便于門式剛架結構的施工安裝。根據(jù)門規(guī)第4.5.1條第2款和第4.5.2條第1款的規(guī)定，宜將屋面橫向水平支撐和柱間支撐同時布置在房屋溫度區(qū)段端部第一開間或第二開間。當端部支撐設在第二開間時，在第一開間的相應位置設置剛性系桿。在布置柱間支撐的開間，宜同時布置屋面橫向水平支撐。

（7）屋面橫向水平支撐的節(jié)點應設置在抗風柱頂節(jié)點處。屋面橫向水平支撐桁架的節(jié)點布置在抗風柱處，可以使抗風柱柱頂?shù)姆戳χ苯觽鬟f，避免剛架斜梁受扭。

（8）柱腳錨栓的直徑不宜小于24 mm，且應設置雙螺帽。柱腳錨栓直徑除按計算確定外，考慮到實際工程中可能會承受部分水平剪力等不利因素，其直徑不宜過小。一般情況下，剛架跨度不大于18 m時,采用2個M24的錨栓；剛架跨度不大于27 m時,采用4個M24的錨栓；剛架跨度不大于30 m時,采用4個M30的錨栓。柱腳錨栓采用Q235鋼或Q345鋼制作，柱腳錨栓均應設雙螺帽，以防螺帽松動，影響柱腳安全可靠的工作。

（9）當門式剛架跨度大于40 m小于60 m，或高度大于13 m小于18 m時，宜采取下列措施：屋蓋宜增設縱向水平支撐和橫向水平支撐，一起構成封閉的支撐體系，增強房屋的整體剛度；支撐設計計算時，宜考慮由端部柱間支撐及屋面橫向水平支撐負擔山墻面的風力。剛架柱和斜梁必須采用剛性系桿來保證其側向穩(wěn)定，不宜依靠隅撐保證側向穩(wěn)定。檁條不宜兼作系桿，系桿必須用型鋼另外設置。支撐不宜采用圓鋼，宜采用型鋼。

（10）當廠房布置有防火墻，且防火墻頂部與剛架梁有構造連接時，應計入其地震作用。

（11）吊車梁兼做廠房剛性系桿時，應設置雙側隅撐與剛架柱外翼緣相連。

（12）各節(jié)點設計一定要認真考慮腐蝕因素。

3 設計案例分析

下面是筆者最近設計的一個工程。該工程抗震設防烈度8度（0.20 g），吊車噸位32 t，檐口高度16 m，跨度21 m，因工藝需要，在標高4.8 m處布置二層鋼結構平臺，廠房一側布置有管架（一側廠房柱兼做管架柱）。考慮到吊車噸位超過20 t，進行構件設計時采用鋼規(guī)，鋼柱的長細比控制為 120。采用PK-STS進行計算，結果圖1所示。

圖1 配筋包絡和鋼結構應力比圖Fig.1 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

結果顯示左側鋼柱局部長細比達到了 149，超過了允許值。筆者沒有采取繼續(xù)加大截面的做法，而是對結構進行了細致分析。長細比取決于計算長度系數(shù)，鋼規(guī)對于階形柱的計算長度系數(shù)有專門規(guī)定，其計算不同于一般鋼框架按梁柱線剛度比的計算模式，階形柱計算長度不僅與上下柱截面有關，還與上下柱軸力比值有關，這就解釋了為什么同樣的截面，廠房左、右柱計算長度卻不同。程序對于和梁剛性連接的柱，強制采用線剛度比的計算方法，此時只需要把與廠房柱相連的梁改為鉸接，再進行計算，就可以得到規(guī)范算法的結果了，如圖2、3所示（為了作比較，廠房右柱未作改動）。

圖2 配筋包絡和鋼結構應力比圖Fig.2 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

圖3 平面內計算長度系數(shù)Fig.3 In-plane calculated length coefficient of columns

實際上梁柱是剛接的，因此設計人員應記錄下按階形柱計算模式得到的計算長度系數(shù)，然后再把梁柱節(jié)點改為剛接，同時人工指定計算長度系數(shù)，把記錄下來的數(shù)據(jù)填入再進行計算即可。

4 結 語

只要理解規(guī)范的實質，合理設計，門式剛架輕型房屋鋼結構可以在很多場合發(fā)揮其優(yōu)勢。北京西郊機庫和大連南關嶺糧庫等都達到單跨 72 m;我公司設計的石油一廠新區(qū)石蠟成型裝置庫房和成型機廠房單跨跨度也已經(jīng)達到60 m; 檐口高度27 m甚至32 m，吊車噸位240 t、350 t的輕鋼廠房也已經(jīng)付諸實際工程。在遵循相關規(guī)范的基礎上，不斷探索新的設計理念和結構構造，提高門式剛架輕型房屋結構設計水平，為我國有中國特色社會主義現(xiàn)代化建設奉獻才智，是我們每一名技術人員應盡的職責和使命。

［1］ GB50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范[S]．

［2］ GB50011-2010,建筑抗震設計規(guī)范[S]．

［3］ GB50017-2003,鋼結構設計規(guī)范[S]．

［4］ CECS 102:2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程[S]．

［5］ 陳友泉,等.門式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋疑[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［6］ 張運田.門式剛架常見問題及其改進措施[M].北京:中國建筑標準設計研究院，2002．