有關輕型門式鋼架結構的穩定性問題分析

摘 要：早在上個世紀六十年代我國就開始出現輕型門式鋼架建筑結構，其發展鼎盛時期為九十年代，該時期我國彩色鋼板產量不斷增加，出現了焊接H型鋼，這此都推動了輕鋼結構的發展。本文基于設計的角度討論輕型門式鋼架結構的穩定性，從其結構類型與截面形式著手分析，提出在設計過程中保證其穩定性的策略。

關鍵詞：輕型門式鋼架結構；穩定性

一 輕型門式鋼架結構類型與截面形式

輕型門式鋼架的結構類型包括多種，比如單跨鋼架、多跨連續鋼架以及多跨中間交接柱鋼架等等；其截面形式分為等截面以及變截面兩種；柱腳構造則包括鉸接與剛接等等，其中剛接的側向剛度相對較大。根據鋼架的梁體截面以及柱體截面的類型不同，其結構可以分為實腹式鋼架與格構式鋼架丙種，實腹式鋼架的梁體、柱體等通常采用H型實腹截面，相對而言剛度較高，不過該結構的用鋼量比較多，無形中也增加了建筑成本；而格構式鋼架通常采用小截面角鋼或者鋼管等構件，其梁體與柱體的截面為格構式，該結構用鋼量相對較少，但是加工、制作工藝復雜，通常大跨度鋼架會選擇該結構。除此以外，鋼架梁、柱的截面還有其它空腹結構的形式，比如蜂窩梁或者蜂窩柱等，不過應用于實際工程序的機會比較少。

二 提高輕型門式鋼架結構穩定性的原則

要保證輕型門式鋼架結構的穩定性，就要遵循以下幾點原則：第一，通常構件如果采用門式鋼架構，往往其抗彎剛度以及搞扭剛度相對較小，削弱了結構的整體鋼度，所以要通過必要措施避免構件出現彎曲或者扭轉變形等問題；第二，加強支撐體系與隅撐的設置，強調構件與屋面板、墻面板的連接，保證結構的整體性；第三，銹蝕會削弱結構構件，因此要注意采取相應的防護措施；第四，門式鋼架結構的梁柱一般變截面桿件，因此在設計梁柱腹板時要將屈曲后強度的作用充分發揮出來，不宜采用塑性設計。

三 提高輕型門式鋼架結構穩定性的具體措施

（一）布置柱網

具體而言，柱網的平面布置要注意以下幾點：第一，按照實際的工程要求對門式鋼架的跨度進行合理選擇，考慮其經濟性，不能一味追求大跨度。門式鋼架輕型鋼結構的用鋼量是保證其穩定性的重要參數之一，如果鋼架跨度比較小，總用鋼量的一半以上由鋼架占用，其它的構件所占的比例則相對較小，比如墻架梁、柱間支撐以及屋面支撐等，所以要保證鋼架結構的穩定性，就要保證用鋼量的合理性。第二，鋼架結構中某些部位的用鋼量與柱距成正比關系，即柱距越大，用鋼量就越大，比如吊車梁，就必須采用格構形式，相應的其用鋼量也會大幅增加，甚至超出鋼架用鋼量；檁條的用鋼量也比較大，主要是受長細比要求的影響。由此可見，布置柱網的過程中要針對多個方案加以比較，確定出最佳方案。

（二）門式鋼架的荷載取值

通常作用于門式鋼架建筑的荷載包括結構自重、雪荷載以及積灰荷載等豎向荷載以及風荷載、吊車剎車力等水平荷載，此外還有地震荷載。不過對于輕型門式鋼架結構而言，由于其自重輕，所以受到地震作用是反應也比較輕，因此有利于抗震。

（三）計算鋼架內力與側移

計算鋼架內力的方法如下：對于變截面門式鋼架而言，其內力可以利用彈性分析法來確定，塑性分析法只適用于鋼架梁柱均為等截面的條件下。在計算變截面門式鋼架內的內力時，一般會利用桿系單元的直接剛度法在計算機上進行編程計算；采用底部剪力法確定地震作用效應。在結構基于不同荷載組合條件下進行內力分析，確定對截面起控制作用的內力組合。通常柱底、柱頂、柱牛腿連接處、梁端以及梁跨中等位置為控制截面。

側移的計算方法如下：針對變截面門式鋼架來說，可以采用彈性分析法確定其柱頂側移，計算過程中可以忽略荷載分項系數，荷載則取標準值。如果經過驗算所求取的鋼架側移剛度無法滿足實際要求，則要采取相應的調整措施，比如增大柱或梁的截面尺寸，或者用剛接柱腳代取鉸接柱腳。

（四）設計檁條、拉條以及撐桿

1. 檁條的設計

檁條為雙向受彎構件，分析其內力時要沿著截面兩個形心主軸方向進行彎矩計算，并計算出其它參數，比如強度、整體穩定性以及變形等。檁條為冷彎薄壁構件，壓彎板件寬厚比相對較大，受力后會呈屈曲狀態，因此計算強度時要選擇有效寬度，減弱原有截面；并且計算強度時要用凈斷面，可以通過釘孔的方法減弱截面，對于小截面窄翼緣的梁來說，這種減弱的影響還是比較大的。利用全截面進行鋼架的整體分析，假如計算強度過程中未采用凈截面，則要相應提高實際應力。此外，要考慮到檁條的作用不僅僅是用于支撐屋面板或者懸掛面板，其對于鋼架梁柱隅撐也起到相應的支撐作用，添加相應的隅撐，可以有效縮短鋼架平面外的計算長度，從而提升鋼架平面外整體穩定性。

2. 拉條與撐桿的設計

檁條的側向剛度決定是否需要設置拉條，一些輕型H型鋼或者空間桁架式檁條，由于其側向剛度相對較大，因此沒有設置拉條的必要；而有些檁條為實腹結構或者例用過程中出現側向變形、扭轉等問題，其側向剛度相對較差，則要在檁條間設置拉條作為側向支撐點，可以有小減輕安裝、使用檁條過程中所產生的側向變形與扭轉，提升結構的整體穩定性。如要檁條的跨度不超過4m，可以按照計算要求選擇是否設置拉條；如果屋面坡度大于1/10且檁條的跨度超過4m小于6m，可以將拉條設置在檁條跨中位置；如果檁條跨度大于6m，最好在檁條跨度三分點處分別設置一道拉條，并且檐口處也要設置斜拉條。按照荷載與檁距的大小確定拉條的直徑，通常在8-12mm的范圍內。

檁條撐桿的主要作用是限制檐檁以及天窗缺口位置的邊檁向上或者向下的側向彎曲，可以利用鋼管、方管或者角鋼制作撐竿，也可以在鋼管內設置拉條，需要注意的是撐竿處要同時設置斜拉條。

（五）屋面支撐與柱間支撐

通常屋面支撐受力相對較小，所以可以根據容許長細比選擇桿件的截面。按拉桿設計交叉斜桿或者柔性細桿，采用單角鋼截面；而非交叉斜桿、弦桿、豎桿、剛性系桿等則按照壓桿設計，則采用雙角鋼所組成的十字形或者T形截面。如果屋架的跨度比較大，且房屋較高、風壓比較大，則要根據桁架體系計算出的內力確定桿件截面。支撐桿件內力的計算過程中，可以設其受到水平荷載的作用，只有拉桿受力，交叉斜桿中的壓桿處于不受力狀態。

在房屋結構設計中，其支撐分為上下兩層，計算上層支撐時根據柔性拉桿計算支撐腹桿，以防止支撐剛度過大提高溫度應力。對于交叉體系的下層支撐而言，如果吊車較小通常采用圓鋼，角鋼或者槽鋼用于吊車較大的條件下。如果吊車較大，則按照拉桿設計的方法進行交叉斜桿的設計，以提高房屋的縱向剛度。

（六）設計隅撐

設計隅撐的主要作用即防止梁的下翼緣、柱的內側翼緣出現失穩的情況。由于鋼架斜梁受力出現變化，所以要設置隅撐。通常梁受力特點為上翼緣受壓、下翼緣受拉，其受到恒荷載與活荷載的組合作用，因此檁條有效的連接鋼梁，提高了梁上翼緣的穩定性，通常取兩倍的檁條間距作為梁的平面外計算長度即可。不過當風吸力荷載作用于結構時，下翼緣受壓、下翼緣受位，此時沒有平面外支撐，也就無法保證下翼緣的穩定性。由此可見，要在梁的下翼緣位置加設隅撐，為其提供支撐，以保證其穩定性。具體作法為隅撐的一邊連接梁的下翼緣，一邊連接檁條。

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