輕鋼門式剛架廠房的結構設計

趙貴陽

摘 要：文中介紹了門式剛架廠房結構設計，結合具體工程對門式剛架進行了分析并對用鋼量進行了分析比較。

關鍵詞：門式剛架；輕鋼結構；用鋼量

輕型門式剛架房屋結構在我國的應用始于20世紀80年代初期。近三十多年來得到迅速的發展，目前國內每年有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，由于單層輕型門式剛架結構相對于鋼筋混凝土結構具有：質量輕，工業化程度高，施工周期短，綜合經濟效益高，柱網布置比較靈活等特點所以被廣泛應用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。

在目前的工程中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構件，單跨剛架的梁柱節點采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎剛接或鉸接；圍護結構多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。

現對輕鋼門式剛架設計進行簡要介紹：

1 結構形式和結構布置

門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/8～1/20。門式剛架的柱腳多按鉸接設計，當用于工業廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

2 剛架設計

2.1 荷 載

（1）永久荷載：包括結構構件的自重和懸掛在結構上的非結構構件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。

（2）可變荷載：包括屋面活荷載、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。

2.2 荷載組合

荷載組合一般應遵從《建筑結構荷載設計規范》GB50009-2012的規定，針對門式剛架的特點，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102：2002給出了組合原則。

2.3 內力計算

對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內力，只有當剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。

2.4 側移計算

變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數。

2.5 剛架柱和梁的設計

（1）梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用。剛架梁柱構件的強度驗算。

（2）變截面柱在剛架平面內的計算長度確定，整體穩定計算。

（3）變截面柱在剛架平面外的整體穩定計算。

（4）節點設計。

3 檁條設計

檁條屬于雙向受彎構件，在進行內力分析時應沿截面兩個形心主軸方向計算彎矩。進行強度計算、整體穩定計算、變形計算。

4 墻梁、支撐設計

（1）墻梁在其自重、墻體材料和水平風荷載作用下，也是雙向受彎構件。

（2）門式剛架結構中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設計。

5 結合具體工程對門式剛架進行分析

5.1 工程概況

某廠主廠房為六連跨門式剛架結構，廠房長度147m，跨度為1×27+5×24m，建筑面積1.96萬m2。吊車軌頂標高為6.900m，檐口最高處14.160。柱腳采用剛接，主剛架采用焊接H型鋼，Q345B級。屋面坡度采用1/20。地震設防烈度7度，地震加速度0.1g，屋面及墻面采用C型檁條，計算軟件采用鋼結構STS軟件。

5.2 上部結構設計

本工程跨度為1×27m+5×24m，柱距6m，中級工作制吊車（吊車參數見表1），共有22榀固接的門式剛架，為保證吊車正常運轉，廠房穩定，滿足位移變形要求加設吊車梁隅撐，全長132m，不設伸縮縫，墻體采用壓型鋼板。跨度27m吊車起重量20/5t，最大輪壓230kN，最小輪壓80kN，吊車起重量，1t，最大輪壓149kN，最小輪壓41kN；跨度24m吊車起重量10t，最大輪壓136kN，最小輪壓34kN。

荷載

永久荷載標準值

壓型鋼板及檁條 0.3kN/m2

可變荷載標準值

屋面活荷載 0.3kN/m2

雪荷載 0.5kN/m2

風荷載 0.55kN/m2

吊車荷載計算通過PKPM自動計算，剛架采用pkpm軟件進行結構分析后得出結果。

5.3 抗震措施

工程地處設防烈度7度區，房屋自重小，承載力不受地震作用效應組合控制，可不進行抗震計算。僅針對輕鋼結構的特點采取抗震構造措施。

構件之間的連接均采用螺栓連接，斜梁下翼緣與剛架柱的連接均加腋，柱腳底板設抗剪鍵，增設吊車制動支撐。

5.4 用鋼量統計

單層輕型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10～30kg/m2，當檐高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（Q235B）為18～28kg/m2，當跨度在21～48m之間的剛架單位用鋼量為25～40kg/m2，當檐高為12m、跨度超過48m時宜采用多跨剛架（中間設置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節約18%左右，因此設計門式剛架時應根據具體要求選擇較為經濟的跨度。同時柱距的選擇也會影響用鋼量，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當柱距增大到一定數值后，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間距，下表列出在一般情況下不同跨度所對應的最優間距：

綜上所述，一般情況下，門式剛架的間距應在6～9m之間，超過9m時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量增加太多，綜合造價并不經濟。

6 結 語

輕型門式剛架結構具有造價低、重量輕、安裝方便、施工周期短等優點，在工業廠房中得到較為廣泛的應用。但是，我國輕鋼結構畢竟起步較晚，在理論與實踐中與國外尚有很大差距，在實際工程設計中，由于門架變截面件的截面尺寸需要經過多次試算才能確定，加之目前設計人員的設計經驗還不夠豐富，桿件截面的選擇也不盡合理，容易造成整體結構各桿件應力不均，不僅經濟指標不夠理想，而且整體結構的安全度也不高，為了安全、經濟地設計門式剛架，還需要設計人員進一步研究我們的設計觀念和存在問題，確保工程的設計質量，推動門式剛架輕型鋼結構的進一步發展。同時，在工程設計中在滿足規范要求的前提下采用何種結構布置形式和結構分析方法能構降低鋼材用量，使結構受力更合理，投資更經濟也是我們以后需要進一步研究的問題。

參考文獻

[1]鋼結構設計規范（GB50017-2003）.

[2]建筑結構荷載規范（GB50009-2012）.

[3]門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS102：2002）.