門式剛架輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計淺談

【摘 要】 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的新型建筑結(jié)構(gòu)體系，具有質(zhì)量輕、工業(yè)化程度高、施工周期短、綜合經(jīng)濟效益高、柱網(wǎng)布置比較靈活等優(yōu)點。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 輕型門式剛架房屋結(jié)構(gòu)也得到迅速的發(fā)。本文對門式剛架輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，結(jié)合具體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)介紹了門式鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程、結(jié)構(gòu)分析方法、構(gòu)件校核和施工繪制等內(nèi)容，并就結(jié)構(gòu)空間設(shè)計模型與平面分析模型對剛加內(nèi)力的影響、支撐系統(tǒng)的內(nèi)力分析方法及冷彎薄壁型剛檁條在風(fēng)吹力下的穩(wěn)定性驗算等問題進行了探討。

【關(guān)鍵詞】 門式剛架 輕鋼結(jié)構(gòu) 特點 設(shè)計與施工

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)是以門形鋼架為結(jié)構(gòu)受力載體，圍護結(jié)構(gòu)為薄壁C型或Z型鋼檁條和彩色壓型鋼板的體系。本文通過對門式剛架輕型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與設(shè)計中應(yīng)注意的問題作如下初步分析和探討。

正文

一、門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的特點

（一）用鋼量少，自重量輕

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)采用防水、圍護一體化的輕質(zhì)多功能新型屋面和墻體材料組成，大大減輕了結(jié)構(gòu)本身的荷載重量。其承重構(gòu)件普遍采用高強鋼材，這樣可以有效減輕結(jié)構(gòu)自重。通常門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)的重量只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/8——1/10，是普通鋼結(jié)構(gòu)重量的1/2——1/3，充分體現(xiàn)了新材料的優(yōu)勢。

（二）適應(yīng)性強，設(shè)計符合美觀、經(jīng)濟、實用的原則

相對于傳統(tǒng)的鋼架結(jié)構(gòu)而言，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)從跨度、柱距布置靈活，單跨、多跨等方面可隨意組合。這些組合可應(yīng)用于不同工藝、不同規(guī)模、不同用途的各類建筑中，表現(xiàn)出了極大的適應(yīng)能力。鋼架結(jié)構(gòu)一方面外觀新穎別致，可塑性極強，富有時代感；另一方面造價合理，投資見效快，綜合經(jīng)濟效益好，空間使用率高，在各個建筑施工中基本都可以使用。

（三）鋼架結(jié)構(gòu)施工速度快、周期短

工廠化程度高，施工周期短鋼結(jié)構(gòu)制作簡便，因門式剛架的梁、柱等基本構(gòu)件均在加工廠定型制作，在現(xiàn)場按要求拼裝而成，加快了施工進度，建設(shè)周期縮短，比鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)工期至少縮短60%以上，對于一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房門式剛架僅需50天至2個月，而采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，則需10～12個月。

（四）門式剛架的防火鋼結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)越性，鋼材雖非燃燒材料，卻易導(dǎo)熱，其耐火極限僅為15～20分鐘。未加防火保護的鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度達到350℃、500℃、600℃時，其強度分別降低1/3、1/2、2/3，當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度達到600℃以上時，將完全喪失承載能力，最典型的例子莫過于2001年的美國紐約世界貿(mào)易大廈遭襲擊后引起高溫燃燒，兩幢420m高的鋼結(jié)構(gòu)大樓轟然倒塌。現(xiàn)階段主要從防火設(shè)計和對結(jié)構(gòu)的防火保護措施兩方面入手，可在柱、梁表面覆蓋以1.5cm厚的LG防火隔熱涂料或2cm厚的LY防火隔熱涂料保護層，其耐火時間可達1.5～2.3小時，滿足規(guī)范要求。

二、設(shè)計中應(yīng)考慮的因素

（一）嚴格荷載取值標(biāo)準的規(guī)定

1 鋼架恒荷載

鋼架自重一般都由軟件統(tǒng)計生成，而屋面板、檁條、支撐等荷載按線荷載加到鋼架梁上要按實際設(shè)計計算，根據(jù)使用要求屋面或墻面板可單層板也可采用保溫板，保溫材料又包括聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等，設(shè)計中應(yīng)結(jié)合具體材料確定屋面與墻面荷載。

2 鋼架可變荷載

可變荷載包括屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等.《門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）中規(guī)定：不上人屋面的活荷載為0.5kN/M2，如果鋼架的受荷載面積大于60M2的可乘折減系數(shù)0.6。對于門式鋼架而言，在計算鋼架時一般可用0.3kN/M2。根據(jù)國外資料，門式輕鋼結(jié)構(gòu)，一般要考慮0.15——0.5kN/M2的附加荷載，而在我國現(xiàn)行的規(guī)范中無此規(guī)定，所以如遇到暴風(fēng)雪等情況，就會出安全問題，因此在梁和檁條已較小的門式輕鋼鋼架中，禁止出現(xiàn)明顯克扣活荷載的情況。

（二）優(yōu)化設(shè)計，盡量減少用鋼量

必須按照《門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）進行設(shè)計計算，而不能沿用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）進行門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算。在門式鋼架中，主鋼架和檁條的用鋼量占90%以上，在相同的荷載條件下，柱網(wǎng)布置對主鋼架和檁條的用鋼量影響很大。經(jīng)多個統(tǒng)計分析表明，建議柱距采用6——8m，跨度不宜大于36m。檁條要選用薄壁寬肢的C型、Z型，而鋼架一般采用H型截面。當(dāng)荷載一定時，連續(xù)支承構(gòu)件比簡支構(gòu)件的截面要小，因此在輕型門式鋼架中屋面檁條和墻面檁梁均宜采用連續(xù)支承方式。實踐證明，楔形構(gòu)件和變截面構(gòu)件上網(wǎng)使用，加上變化翼緣厚度和腹板厚度，可顯著節(jié)省鋼材。薄壁型鋼規(guī)范是不考慮屋面蒙皮作用，從而造成計算結(jié)果很不經(jīng)濟。壓型鋼板屋面蒙皮作用對檁條上翼緣提供側(cè)向支撐是不成問題的，但對檁條下翼緣失穩(wěn)承載力的影響，對這類問題尚無計算方法可行，但是國內(nèi)外的試驗表明屋面蒙皮作用對檁條下翼緣扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)的約束是非常明顯的。另外設(shè)計中要注意版型的選取和包角屋脊的設(shè)計。

三、門式剛架設(shè)計常見質(zhì)量問題及預(yù)防措施

（一）梁、柱拼接節(jié)點設(shè)計

梁、柱拼接節(jié)點一般按剛接節(jié)點計算，但往往由于端部封板較簿而導(dǎo)致與計算有較大出入，故應(yīng)嚴格控制封板厚，以保證端板有足夠剛度。有的設(shè)計斜梁與柱按剛接計算而實際工程則把鋼柱省去，把斜梁支承在鋼筋混凝土柱或磚柱上，造成工程事故，設(shè)計時應(yīng)注意把節(jié)點構(gòu)造表達清楚，節(jié)點構(gòu)造一定要與計算相符。多跨門式剛架中柱按搖擺柱設(shè)計，而實際工程卻把中柱和斜梁焊死致使計算簡圖與實際構(gòu)造不符，造成工程事故。有的工程在門式剛架斜梁拼接時，把翼緣和腹板的拼接接頭放在同一截面上，造成工隱患，設(shè)計拼接接頭時翼緣接頭和腹板接頭一定要錯開。門式剛架斜梁和鋼柱的翼緣板或腹板可以變厚度，但有的單位翼緣板由20mm突然變成8mm，相鄰板突變對受力很不利，設(shè)計時應(yīng)逐步變薄，一般以2mm至4mm板厚的級差變化為宜。

（二）檁條設(shè)計

檁條設(shè)計常忽略在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定，導(dǎo)致大風(fēng)吸力作用下很容易失穩(wěn)破壞，設(shè)計時應(yīng)注意驗算檁條截面在風(fēng)吸力作用下是否滿足要求。有的單位檁條設(shè)計時只簡單要求鍍鋅，沒有提出鍍鋅方法鍍鋅量，故施工單位用電鍍，造成工程尚未完成，檁條已生銹，設(shè)計時要提出宜采用熱鍍鋅帶鋼壓制而成的翼緣，并提出鍍鋅量要求。隅撐的位置和檁條和拉條的設(shè)置是保證整體穩(wěn)定的重要措施，有的工程設(shè)計把它們?nèi)∠赡茉斐晒こ屉[患。檁條和屋面金屬板要根據(jù)支承條件和荷載情況進行選用，但其塔接長度不少單位沒有經(jīng)過試驗確定，而塔接長度和連接難于滿足連續(xù)梁的條件。在設(shè)計時，要強調(diào)若采用連續(xù)的檁條和墻梁，其塔接長度要經(jīng)試驗確定，也應(yīng)注意在溫度變化和支座不均勻沉降下可能出現(xiàn)的隱患。設(shè)計時應(yīng)在圖紙標(biāo)明支座的具體做法，總說明應(yīng)強調(diào)施工單位不得任意更改。

（三）柱間支撐設(shè)計

是否加柱間支撐要視情況而定。一般情況下，如搖擺柱平面外連接為鉸接，則為了不讓搖擺柱形成平面外不穩(wěn)體系，這時加柱間支撐可形成穩(wěn)定體系同時也減少了平面外的計算長度，比較經(jīng)濟。還有一種比較典型的情況，就是當(dāng)計算考慮蒙皮效應(yīng)時，可不加柱間支撐，搖擺柱的平面外計算長度可根據(jù)有限元分析算，屬于空間范疇，一般程序無法考慮，同時對支撐體系的要求也很大，需根據(jù)計算定。

（四）柱腳螺栓設(shè)計

不管門式剛架跨度多大，柱腳螺栓均按最小直徑M20選用，造成工程事故。錨栓應(yīng)按最不利的工況進行計算，并應(yīng)考慮與柱腳的剛度相稱，還要考慮相關(guān)的不利因素影響，建議參考本措施：一般當(dāng)剛架跨度：小于等于18m采用2個M24；小于等于27m采用4個M24；大于等于30m采用4個M30，采用固接柱腳較為合理。此外柱腳底板下如采用剪力鍵，或有空隙，在安裝完成時，一定要用灌漿料填實，注意底板設(shè)計時一定要有灌漿孔。

（五）吊裝安全說明

有的門式剛架安裝時沒有采取臨時措施保證門式剛架側(cè)向穩(wěn)定，造成安裝過程門式剛架倒地，建議在設(shè)計總說明中應(yīng)寫明對門式剛架安裝的要求。

結(jié)束語

總之，在門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)的工程中，首先必須做好優(yōu)化設(shè)計工作，然后合理布置，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計準確、細部處理周到。施工中要嚴格控制進場材料的質(zhì)量，把好鋼構(gòu)件的加工制作關(guān)，控制好土建施工和鋼構(gòu)安裝質(zhì)量，關(guān)鍵部位實施旁站監(jiān)理，保證創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)工程.

參考文獻

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