門式剛架輕型鋼結構房屋設計探索

張利民

（天津天啟七星建筑技術服務有限公司，天津 300271）

鋼結構是土木工程的主要結構類型之一，是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的，在房屋建筑、地下建筑、礦山建筑、水工建筑、倉儲建筑、橋梁、塔桅、海洋平臺、港口、油氣等壓力容器以及管道中都得到廣泛應用。

門式剛架結構是一種輕型房屋結構體系，以等截面或變截面輕型焊接H型鋼、等截面熱軋H型鋼或冷彎薄壁型鋼等構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼(槽鋼、卷邊C形、Z形等)做凜條、墻梁;以壓型鋼板、壓型鋁板做屋面和墻面;采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨酷泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐。

1 設計結構形式

門式剛架又稱為山形門式剛架.其結構形式多種多樣。按構件體系分，有實腹式與格構式;按截面形式分，有等截面和變截面;按結構用材分，有普通型鋼、薄壁型鋼和鋼管;按跨度可以分為單跨、雙跨和多跨剛架;按屋面坡向分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡等。在單層工業與民用房屋鋼結構中應用較多的單跨或多跨的單、雙坡門式剛架(根據需要可帶挑檐或毗屋)。根據通風、采光的需要，這種剛架廠房可設置通風口、采光帶和天窗架等，目前單跨剛架跨度國內最大已達到72 m。

對于多跨剛架，在相同跨度條件下，多脊多坡與單脊雙坡剛架用鋼量大致相當。但多脊多坡剛架的內天溝容易產生滲漏及堆雪等問題，而連續的長坡壓型鋼板屋面有利于排水，因此常做成單脊大雙坡屋面。對于單脊雙坡多跨剛架.無橋式吊車時，且當剛架柱不是很高，風荷載也不很大時，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱。中間搖擺柱和梁的連接構造簡單，而且制作和安裝都省工。搖擺柱不參與抵抗側向力，截面可以用得較小。但設有橋式吊車時，中柱宜為兩端剛接，以增加剛架側向剛度。

2 結構布置

2.1 門式剛架布置

門式剛架的跨度指橫向剛架柱之間的距離，跨度宜為9-36m，宜以3m為模數，必要時可不受模數限制;當邊柱寬度不等時，其外側應對齊。門式剛架的高度，應取地坪至柱軸線與斜梁軸線交點的高度，宜采用4.5m-9.0m，當有橋式吊車時不宜大于12m.高度應根據使用要求的室內凈高確定，有吊車的廠房應根據軌頂標高和吊車凈空要求來確定。柱的軸線可取通過柱下端(較小端)中心的豎向軸線。工業建筑邊柱的定位軸線宜取柱外皮。斜梁的軸線可取通過變截面梁段最小端中心與斜梁上表面平行的軸線。

2.2 檀條和墻梁布置

屋面檀條一般等間距布置，但在屋脊處，應沿屋脊兩側各布置一道檀條，使屋面板外伸寬度不要太長(應小于200 mm)，在天溝附近應布置一道檀條，以便于天溝的固定。檀條間距應考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檀條供貨規格等因素的影響并按計算確定。

側墻墻梁的布置，應考慮設置門窗、挑檐、遮雨篷等構件和圍護材料的要求。當采用壓型鋼板作圍護墻面時，墻梁宜布置在剛架柱的外側，其間距隨墻板板型和規格確定，且不應大于由計算確定的數值。

2.3 支撐與剛性系桿的布置

門式剛架輕型房屋鋼結構的支撐，可采用帶張緊裝置的十字交叉圓鋼支撐，圓鋼與相連構件的夾角應在300---600范圍內，宜接近450.當設有起重量不小于5t的橋式吊車時，柱間宜采用型鋼支撐;在溫度區段端部吊車梁以下不宜設置柱間剛性支撐。

3 設計時需要注意的幾個要點

3.1 門式剛架中組成構件的板件較薄，對制作、涂裝、運輸、安裝的要求較高。焊接構件板的厚度不應小于3.0 mm，冷彎薄壁構件中板的最小厚度為1.5 mm，屋面、墻面壓型鋼板基材厚度不宜小于0.4 mm。門式剛架構件由于板件較薄，抗彎剛度、抗扭剛度較小，在運輸和安裝過程中應采取措施防止構件發生彎曲和扭轉變形，同時還要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與擦條、墻梁等構件的連接構造。

3.2 框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度？現在了解到，美國是計算的。他們作框架分析，一般是將構件分段，用等截面程序計算，每段都要計算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗算跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來就小，脊點下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現斜坡，使屋面變形。現在打算做個規定，剛架側移后，當山尖下垂對坡度影響較大時，要驗算山尖垂度，以便對屋面剛度進行控制。

3.3 少數單位設計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因為混凝土是一種脆性材料，雖然構件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動和破壞。

3.4 支撐和剛性系桿的布置應符合下列要求

①在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。

②在設置柱間支撐的開間，宜同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。屋蓋橫向支撐宜設在溫度區間端部的第一個或第二個開間。當端部支撐設在第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。

③柱間支撐的間距應根據房屋縱向柱距、受力情況和安裝條件確定。當無吊車時宜取30m-45m。當有吊車時宜設在溫度區段中部，當溫度區段較長時宜設在三分點處，且間距不宜大于60m。

④當房屋高度相對于柱間距較大時，柱間支撐宜分層設置。當建筑物寬度大于60 m時，在內柱列宜適當增加柱間支撐。

⑤在剛架轉折處 (單跨房屋邊柱柱頂和屋脊，以及多跨房屋某些中間柱柱頂和屋脊)應沿房屋全長設置剛性系桿。

⑥由支撐斜桿等組成的水平析架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。

⑦剛性系桿可由擦條兼作，此時擦條應滿足對壓彎桿件的剛度和承載力要求。當不滿足時，可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其它截面形式的桿件。

⑧在設有帶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析架.當橋式吊車起重量較大時，尚應采取措施增加吊車梁的側向剛度。

結束語

綜上所述，在設計鋼結構時，應當從工程實際出發，合理選用鋼材，選擇高強度、具有較好經濟指標的鋼材;在結構方案選擇上，應盡可能采用標準化、模數化的結構布置;在連接設計中.應選用構造簡單、傳力直接的節點形式，并應滿足構造要求;另外，在鋼結構設計中，還應保證鋼結構在加工、運輸、安裝和使用過程中的強度、剛度和穩定性要求，并應針對鋼結構的實際，滿足防火、防腐的要求。宜優先選用通用的和標準化的結構和構件，減少制作、安裝工作量。

[1]李天.建筑鋼結構設計 .2010.

[2]趙玉星.常用建筑結構設計.2008.

[3]趙風華.鋼結構原理與設計(下冊).2010.