輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【摘 要】輕型鋼結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用和發(fā)展速度最快的新型結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居住和公共建筑，本文介紹了單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并就設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題做了系統(tǒng)闡述。

【關(guān)鍵詞】門式剛架；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

前言

單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實(shí)腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當(dāng)設(shè)置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。主要用于輕型的工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動(dòng)房屋、加層建筑等，近幾年來，隨著我國(guó)彩色鋼板產(chǎn)量的增加和焊接H型鋼的出現(xiàn)，門式剛架更是發(fā)展迅速，結(jié)合單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并就設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)注意的一些問題，做如下介紹：

1.單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1質(zhì)量輕

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10～30kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20～1/30。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，相應(yīng)地基礎(chǔ)可以做得較小，地基處理費(fèi)用也較低。同時(shí)在相同地震烈度下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)小。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時(shí)，風(fēng)荷載可能成為單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的控制荷載。

1.2工業(yè)化程度高，施工周期短

門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件多為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便；除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)；構(gòu)件之間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，安裝迅速。

1.3綜合經(jīng)濟(jì)效益高

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當(dāng)采用12米柱距時(shí)，需設(shè)置托架及墻架柱。而門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用金屬壓型板，所以柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。

1.3柱網(wǎng)布置比較靈活

門式剛架結(jié)構(gòu)通常采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期短；原材料種類單一；構(gòu)件采用先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備制造；運(yùn)輸方便等。所以門式剛架結(jié)構(gòu)的工程周期短，資金回報(bào)快，投資效益相對(duì)較高。

2.單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)形式的確定

門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20～1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時(shí)，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不是很大時(shí)，依據(jù)“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設(shè)計(jì)，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級(jí)工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

2.2合理跨度的確定

不同的生產(chǎn)工藝流程和使用功能在很大程度上決定著廠房跨度，有的業(yè)主甚至要求輕鋼生產(chǎn)廠家根據(jù)自己的使用功能，確定較為經(jīng)濟(jì)的跨度。在盡可能滿足生產(chǎn)工藝和使用功能上，應(yīng)根據(jù)房屋的高度確定合理的跨度。一般情況下，當(dāng)柱高、荷載一定時(shí)，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節(jié)省空間，基礎(chǔ)造價(jià)低，綜合效益較為可觀。通過大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檐高6m、柱距為7.5m，荷載情況完全一致下，跨度在18-30m之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為18-28kg/ m2，當(dāng)跨度在21-48m之間的剛架單位用鋼量為25-40kg/ m2，當(dāng)檐高為12m、跨度超過48m時(shí)宜采用多跨剛架（中間設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節(jié)約18%左右，因此設(shè)計(jì)門式剛架時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求選擇較為經(jīng)濟(jì)的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2.3剛架最優(yōu)間距的確定

剛架的間距與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關(guān)，當(dāng)剛架跨度較小時(shí)，選用較大的間距，會(huì)增加檁條的用鋼量是不經(jīng)濟(jì)的。剛架規(guī)范規(guī)定，剛架柱距宜為6m，7.5m，9m，最大可采用12m。經(jīng)過大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量會(huì)隨著柱距的增大而增大，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定條件下，門式剛架存在著一最優(yōu)間距，一般情況下，門式剛架的間距應(yīng)在6—9m之間，超過9m時(shí)，屋面檁條與墻架體系的用鋼量增加太多，綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。

2.4荷載的確定

屋面荷載包括了永久荷載和可變荷載，永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等。可變荷載包括屋面活荷載（設(shè)計(jì)屋面板和檁條時(shí)應(yīng)考慮施工和檢修集中荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等。規(guī)范規(guī)定屋面活荷載為0.5KN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6，門式剛架大都符合此條件，活荷載可取為0.3KN/m2。

計(jì)算時(shí)候應(yīng)對(duì)荷載進(jìn)行荷載組合，荷載組合一般應(yīng)遵從《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50009-2012的規(guī)定，針對(duì)門式剛架的特點(diǎn)，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002給出下列組合原則：

（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，應(yīng)取兩者中較大值。

（2）積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮。

（3）施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時(shí)考慮。

（4）多臺(tái)吊車的組合應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。

（5）當(dāng)需要考慮地震作用時(shí)，風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。

2.5剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算

2.5.1內(nèi)力計(jì)算

對(duì)于變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)剛架的梁柱全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機(jī)計(jì)算。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。

根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內(nèi)力組合主要有：

（1）最大軸壓力Nmax和同時(shí)出現(xiàn)的M及V的較大值。

（2）最大彎矩Mmax和同時(shí)出現(xiàn)的N及V的較大值。

（3）最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時(shí)M=0。

2.5.2側(cè)移計(jì)算

變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定，計(jì)算時(shí)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果最后驗(yàn)算時(shí)剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進(jìn)行調(diào)整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個(gè)別搖擺柱改為上端和梁剛接。

2.6剛架柱和梁的設(shè)計(jì)

（1）梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強(qiáng)度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗(yàn)算、腹板屈曲后強(qiáng)度利用驗(yàn)算、腹板的有效寬度驗(yàn)算等內(nèi)容）

（2）剛架梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算。

（3）梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應(yīng)在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋）

（4）變截面柱在剛架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度確定。

（5）變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計(jì)算。

（6）變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計(jì)算。

（7）斜梁和隅撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。

（8）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設(shè)計(jì)、牛腿設(shè)計(jì)、搖擺柱與斜梁的連接構(gòu)造等內(nèi)容）

2.7輔屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.7.1壓型鋼板設(shè)計(jì)

（1）壓型鋼板材料的選擇可根據(jù)建筑功能、使用條件、使用年限和結(jié)構(gòu)形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235鋼。

（2）壓型鋼板的截面形式較多，根據(jù)波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。

（3）壓型鋼板的強(qiáng)度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構(gòu)件計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括壓型鋼板腹板的剪應(yīng)力計(jì)算、支座處腹板的局部受壓承載力計(jì)算、撓度限值驗(yàn)算等。

（4）壓型鋼板尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。

2.7.2檁條布置與設(shè)計(jì)

檁條間距的確定應(yīng)綜合考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計(jì)算確定，一般應(yīng)等間距布置，但在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。

（1）檁條的截面形式可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。當(dāng)檁條跨度不大于9m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用實(shí)腹式檁條。

（2）檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)沿截面兩個(gè)形心主軸方向計(jì)算彎矩。

（3）檁條應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。

（4）檁條尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。

2.7.3墻梁布置與設(shè)計(jì)

墻梁的布置應(yīng)考慮門窗、挑檐、雨蓬等構(gòu)件的設(shè)置和圍護(hù)材料的要求確定。

（1）墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時(shí)也可采用卷邊Z形鋼。

（2）墻梁在其自重、墻體材料和水平風(fēng)荷載作用下，也是雙向受彎構(gòu)件。

（3）墻梁應(yīng)盡量等間距設(shè)置，在墻面的上下沿及窗框的上下沿處應(yīng)設(shè)置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設(shè)置拉條，并在最上層墻梁處設(shè)斜拉條將拉力傳至剛架柱。

（4）墻梁可根據(jù)柱距的大小做成跨越一個(gè)柱距的簡(jiǎn)支梁或兩個(gè)柱距的連續(xù)梁。

2.7.4支撐布置與設(shè)計(jì)

（1）在每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。

（2）在設(shè)置柱間支撐的開間，應(yīng)同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。

（3）端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第一或第二個(gè)開間。柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30～45m，有吊車時(shí)不宜大于60m。

（4）當(dāng)房屋高度較大時(shí)，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置；當(dāng)房屋寬度大于60m時(shí)，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。

（5）當(dāng)端部支撐設(shè)在端部第二個(gè)開間時(shí)，在第一個(gè)開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿。

（6）在剛架的轉(zhuǎn)折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應(yīng)沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿。

（7）由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。

（8）剛性系桿可由檁條兼做，此時(shí)檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時(shí)可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

（9）當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于5t的吊車時(shí)，柱間支撐宜用型鋼；當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時(shí)，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。

（10）門式剛架結(jié)構(gòu)中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計(jì)，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)。

（11）剛架斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力，根據(jù)縱向風(fēng)荷載按支承于柱頂?shù)乃借旒苡?jì)算，并計(jì)入支撐對(duì)斜梁起減少計(jì)算長(zhǎng)度作用而承受的力，對(duì)于交叉支撐可不計(jì)入壓桿的受力。

（12）剛架柱間支撐的內(nèi)力，應(yīng)根據(jù)該柱列所受縱向風(fēng)荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計(jì)算，并計(jì)入支撐對(duì)柱起減少計(jì)算長(zhǎng)度而應(yīng)承受的力，對(duì)于交叉支撐可不計(jì)壓桿的受力。當(dāng)同一柱列設(shè)有多道柱間支撐時(shí)，縱向力在支撐間可平均分配。

2.7.5隅撐布置與設(shè)計(jì)

當(dāng)實(shí)腹式鋼架橫梁的下翼緣受壓時(shí)，必須在受壓翼緣的兩側(cè)布置隅撐（端部?jī)H布置在一側(cè)）作為橫梁的側(cè)向支承；隅撐的另一端連接在檁條上。隅撐宜采用單角鋼制作，可連接在鋼架構(gòu)件下翼緣附近的腹板上，也可連接在下翼緣上，與腹板的夾角不宜小于45度。隅撐計(jì)算時(shí)按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)稱布置時(shí)，每根隅撐的計(jì)算軸壓力取計(jì)算值的一半。

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