門式剛架輕型鋼結構設計

趙曉陽，苗 春

（城市建設研究院，北京 100120）

1 工程概況

以某工程成品倉庫門式剛架為例，簡要闡述輕型門式剛架結構設計的一些基本步驟和注意事項。該工程基本設計條件為抗震設防裂度為7度（設計基本地震加速度0.1g），Ⅳ類場地，基本風壓0.55kN/m2, 地面粗糙度為B類。剛架抗震能力很強，7度設防時一般不需做抗震驗算。

成品倉庫全長105m，雙坡雙跨，單坡跨度27m，雙跨總跨度54m，柱距7.5m，無吊車，檐口高度10.5m。門式剛架變形能力強可以有效的抵御地震作用，但在使用荷載作用下產生的位移較大，因此不適宜安裝起重量過大的吊車，通常采用重量不大于3t的懸掛式吊車起。本項目無吊車，所以柱腳采用鉸接，斜梁坡度1/15。

2 結構體系

為防止出入倉庫的叉車撞擊鋼柱和預防雨水侵入倉庫，沿廠房設置了1.2m高矮墻。鋼柱下設置1.2m高，與墻等高的混凝土短柱。注意在考慮基礎及短柱定位時，應事先計算上部門式剛架的鋼柱尺寸，保證鋼柱柱腳中心與混凝土短柱中心、基礎中心重合。混凝土短柱外皮應與墻外皮對齊，同時還應考慮到輕型鋼墻板的布置。

在本次成品倉庫設計中，成品庫建筑面積較大，超出國家防火要求，而且近期有事故表明，如果成品倉庫的防火分區設置不當，當發生火災時火情串聯，難以保證人身和財產的安全，故建筑專業要求在成品庫內設置防火墻，保證防火分區。考慮到門式剛架結構在受到風荷載等外部荷載時變形比較大，如把防火墻置于鋼柱間，則墻體將大大阻礙門式剛架的整體變形，對整個結構不利，所以在設計時應考慮把防火墻置于鋼柱外皮布置，且與鋼柱間距50mm左右的距離以確保門式剛架的變形要求。在鋼柱對應位置設置鋼筋砼構造柱，構造柱與砌體墻之間按《砌體規范》設置拉接筋，構造柱與鋼柱之間采用兩塊鋼板，利用長螺栓孔連接，以保證砌體墻沿墻軸線方向變形自由。

3 荷載選取

3.1 屋面恒荷載

屋面梁計算恒荷載包括屋面板荷載、檁條荷載、支撐自重、風機或氣樓荷載等。在檁條計算時恒荷載包括屋面板荷載、拉條自重等。本成品倉庫屋面梁恒荷載經過計算取用0.3kN/m2。

根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102：2002）規定活荷載為0.5kN/m2，當受荷水平投影面積大于60m2時可乘以折減系數，此時活荷載可取0.3kN/m2，檁條計算活荷載為0.5kN/m2。計算時需要注意屋面活荷載與雪荷載不同時疊加，風荷載和地震力不同時考慮，本項目基本雪壓為0.2kN/m2小于活荷載，故在計算屋面鋼梁時活荷載選用0.3kN/m2，檁條活荷載選用0.5kN/m2。

3.2 風荷載

風荷載也是決定門式剛架鋼梁、檁條截面和穩定的又一重要因素，需要注意的是在計算鋼梁、檁條時應按照門式剛架技術規程附錄A的規定分中間區，邊緣帶等分別進行計算，并注意基本風壓要乘以1.05安全系數，這里有別于荷載規范，在取用風荷載體型系數時要注意剛架的適用條件。在風吸力作用下要考慮檁條的穩定性，當檁條下翼緣受壓時要采取措施抵抗側向位移和扭轉。

4 門式剛架的計算

4.1 計算時的注意事項

成品倉庫門式剛架的計算，采用PKPM系列軟件的STS中門式剛架計算程序，需要注意以下幾點：

（1）運用門式剛架二維設計，分別對邊跨和中間跨兩榀剛架進行計算，梁柱變截面構件楔率應小于60mm/m。

（2）本工程屋面坡度要求1/15，斜梁設計為楔形，外形與彎矩包絡圖基本保持一致。

（3）考慮運輸、吊裝、經濟等因素，一般要求斜梁構件長度在9～12m之間，斜梁應分段采用摩擦型高強螺栓拼接，拼接點盡量設在彎矩較小處，并避開頂部檁條及腹部支撐位置。

（4）梁端設置為鉸接，梁、柱的平面外計算長度取側向支撐點的距離，當兩翼緣側向支撐點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支撐點間的距離。

（5）鉸接構件設置選項中，柱腳應設置為鉸接。

4.2 對于變形的控制

參數輸入中輸入變形參數，成品庫剛架斜梁僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條，其撓度限值為L/180。成品倉庫不設置吊車且采用輕型鋼墻板，所以柱頂位移設計值的限值為h/60。對于整體剛架而言，由于柱腳的嵌固作用、壓型鋼板的蒙皮效應等因素影響，門式剛架的實際位移一般都遠小于設計值。本工程的情況剛架柱腳為鉸接，若按位移控制值設計時，剛架柱頂的實際位移僅為設計值的一半左右。

4.3 設計計算中的注意事項

在設計計算中有一點需要注意，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》5.2.4側移計算時，計算長度L=2s；而在6.1.3穩定計算時，計算長度L=s。對于這兩處計算長度不同的解釋是：5.2.4計算長度指側移時搖擺柱不起作用，因此L即為全跨，四跨時L=4s；規程6.1.3計算長度指柱的穩定，搖擺柱使約束梁彎曲，且對柱的穩定有幫助，因此不論二跨還是四跨均取L=s。

5 支撐的布置

對于門式剛架整體穩定來說，支撐布置是不可缺少的一部分。支撐布置時需要注意：

（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。其中，縱向溫度區段小于300m，橫向溫度區段小于150m。

（2）由于本項目對支撐布置的位置無特殊要求，所以在第一跨設置柱間支撐，同時在設置柱間支撐的跨中設置屋蓋橫向支撐。又因為對于無吊車門式剛架柱間支撐的間距取30～45m，所以在不影響使用的情況下，在間距所允許范圍內也要設置屋蓋及柱間支撐。注意在中間柱的相應位置也應該設置柱間支撐，以保證門式剛架的整體剛度。

（3）為保證成品倉庫的整體穩定，在剛架的轉折處如邊柱、柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂，沿房屋全長設置剛性系桿。計算時應同時計算剛性系桿的穩定和長細比。此處的剛性系桿也可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

6 檁條的設計

檁條選用Q235級B型冷彎薄壁型鋼，撓度按L/150控制。不應采用Q235A級鋼，主要是由于其含碳量不能保證焊接要求。

檁條的計算采用STS軟件工具箱中的簡支檁條設計，相對于連續檁條的做法，按簡支設計更偏于安全，屋面壓型鋼板為單層鋼板，不考慮其對檁條上、下翼緣失穩的限制作用。注意拉條應設在檁條上翼緣1/3腹板高度范圍，當在風吸力作用下檁條下翼緣受壓時，拉條應在檁條上下翼緣附近適當布置，即采用雙拉條。拉條的設置可以有效的控制檁條的穩定，從而減少檁條的用鋼量。

7 門式剛架優選方案

設計人員在確保結構安全的前提下，應盡可能的節約成本，這就要求在確定方案時既要符合建筑使用要求，又要考慮建筑建設的經濟性。

門式剛架在前期方案確定時，應根據房屋高度確定合理的跨度，門式剛架適用在跨度9～36m，高度4.5～9m的地方。根據多次試算，在檐口高度、柱距、荷載均相同的條件下，適當加大跨度，剛架的用鋼量增加并不明顯，但釋放空間，相對造價低，綜合效益較為可觀。

柱距應與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等相匹配，當剛架跨度較小時，選用較大的柱距，會增加檁條的用鋼量。規范規定剛架柱距宜為6m、7.5m、9m，當柱距增大到一定數值后，剛架用鋼量變化較為平緩，而檁條、墻梁的用鋼量會隨著柱距增大而大幅增加，就整體結構的總用鋼量而言，在一定條件下，門式剛架存在著最優柱距。通過調整計算可以得出一些優化的柱距與跨度間的關系。跨度為12～18m時，柱距宜選用6m；跨度為18～27m時，柱距宜選用7.5m；跨度為27～36m時，柱距宜選用9m。一般情況下，門式剛架的柱距應在6～9m之間，超過9m時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量會大幅增加，綜合造價并不經濟。

[1] 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》.（CECS102：2002）.

[2] 《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》.（GB50018-2002）.

[3] 《鋼結構設計規范》.（GB50017-2003）.

[4] 《建筑結構荷載規范》.（GB50009-2012）.

[5] 《建筑抗震設計規范》.（GB50011-2010）.