淺談輕型門式鋼架結構設計

馮 浩/中建集成房屋有限公司

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淺談輕型門式鋼架結構設計

馮 浩/中建集成房屋有限公司

【摘 要】隨著我國經濟的快速發展，輕型門式鋼架房屋結構也得到迅速的發展。本文結合輕型門式鋼架結構質量輕、用鋼量省、施工周期短、結構布置靈活、綜合經濟效益高的特點，闡述了輕型門式鋼架結構設計中容易出現的問題，并提出了相應的解決方法。

【關鍵詞】輕型門式鋼架結構；特點；設計

1.前言

門式剛鋼架構具有用鋼量省、結構布置靈活、施工速度快、受力性能良好等優點，因而被廣泛應用在輕型工業廠房、體育館、展覽廳、車站、倉庫等工業與民用建筑中。然而，門式鋼架結構在我國大量運用的時間還不是很長，部分設計人員仍會習慣性地按照普通鋼結構的設計思路對其進行設計，因而在設計中存在一些不合理的地方，輕則浪費材料、降低經濟效益，重則影響結構的安全性。本文從輕型門式鋼架結構的特點出發，分析設計中容易出現的問題，供同行參考。

2.結構特點

2.1質量輕圍護結構由壓型鋼板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等輕質材料組成，恒載相對小，基礎比較小，整體結構自重輕。

2.2工業化程度高施工周期短，主要構件和配件均為工廠制作，構件之間的連接多采用高強度螺栓連接，工地安裝方便。除基礎施工外，基本沒有濕作業，現場施工人員配置很少，勞動強度輕。

2.3柱網布置靈活柱網布置不受模數限制，柱距大小主要根據使用要求和用鋼量最省的原則來確定，空間布置靈活，可廣泛用于大中小跨度、工業民用建筑。

2.4經濟效益高采用計算機輔助設計，設計周期短；原材料的種類較少，易于籌措，便于運輸；工程周期短，資金回報快，投資效益高。

3.設計步驟

3.1柱網布置的確定輕鋼廠房結構設計中首先要配合工藝要求進行柱網的平面布置。在盡可能滿足生產工藝和使用功能上，根據房屋的高度確定合理的跨度。通過大量計算發現，對門式剛架設計過程中柱網布置得出以下結論。（1）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，不宜盲目追求大跨度。當剛架跨度較小時，剛架用鋼量甚至占總用鋼量的50%以上，而其它各單用鋼量，特別是墻架梁、柱間支撐、屋面支撐，其用鋼量所占比例較小，因此，在設計門式剛架時應精確設計，合理使用。（2）隨著柱距增大，其它各部分結構的用鋼量均隨柱距的增加而增加，特別是吊車梁，由于柱距較大，須采用格構形式，其用鋼量所占比例較大，并最終超過了剛架的用鋼量。其次是檁條，由于長細比的要求，用鋼量增加也較快。（3）綜合各項用鋼量，設計時可以做出多種方案進行比較，最終選擇最佳方案。

3.2門式剛架荷載取值門式剛架房屋上作用的荷載一般有:豎向荷載和水平荷載，還有地震荷載。荷載應根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102:2002）、《建筑結構荷載規范》（GB50009－2012）及《建筑抗震設計規范》（GB50011－2010）國家規范規定作相應的取值。

3.3剛架內力和側移計算方法

3.3.1內力計算方法。

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。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內力組合，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。

3.3.2側移計算方法。

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。如果最后驗算時剛架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施進行調整:放大柱或梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳。

3.4檁條、拉條和撐桿設計

（1）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。設計時，應對檁條進行強度計算、整體穩定計算、變形計算。檁條設計時，要考慮檁應為冷彎薄壁構件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時要屈曲，強度計算應采用有效寬度，對原有截面要減弱。同時強度計算要用凈斷面，要考慮釘孔減弱。這種減弱，一般達到6～15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強度計算不用凈截面，實際應力將高于計算值。檁條設計時，應考慮檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構件，而且也是剛架梁柱隅撐設置的支撐體，設置一定數量的隅撐可減少剛架平面外的計算長度，有效的保證了剛架的平面外整體穩定性。撐桿的作用主要是限制檐檁和天窗缺口處邊檁向上或向下兩個方向的側向彎曲。（2）撐竿的長細比按壓桿要求λ≤220，可采用鋼管、方管或角鋼做成。目前也有采用鋼管內設拉條的做法。撐竿處應同時設置斜拉條。

3.5屋面支撐和柱間支撐設計

（1）屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細比選擇。交叉斜桿和柔性細桿按拉桿設計，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設計，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當屋架跨度較大、房屋較高且風壓較大時，桿件截面應按桁架體系計算出的內力確定。計算支撐桿件內力時，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。（2）柱間支撐，對廠房來說，分為上層支撐和下層支撐。上層支撐計算時，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應力，支撐腹桿按柔性拉桿計算。交叉體系的下層支撐當吊車較小時一般用圓鋼，較大時應采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當吊車較大時，應交叉斜桿應按拉桿設計。

3.6隅撐的設計隅撐的作用

主要是阻止梁的下翼緣及柱的內側翼緣失穩。并在設計計算中作為減少梁柱的平面外計算長度的最不利側向支撐間的最大間距。隅撐之所以要設，是因為剛架斜梁受力的變化。在恒荷載和活荷載等荷載組合作用下，一般的梁受力是上翼緣受壓，下翼緣受拉，這樣檁條與鋼梁的有效連接為梁上翼緣的穩定提供了可靠的支撐。所以一般情況下梁的平面外計算長度取兩倍的檁條間距，上翼緣的穩定可以保證。但在受到風吸力荷載作用時，下翼緣受壓，上翼緣受拉，這樣下翼緣的穩定性沒有可靠的平面外支撐。因此，在梁的下翼緣上應加設隅撐給鋼梁的下翼緣提供支撐。

4.結束語

隨著門式剛架結構在我國的飛速發展，給鋼結構注入了新的活力。對廣大從事輕型門式剛架結構設計的技術人員來說，除了要掌握專業知識外，還必須深入理解輕型門式剛架結構的特點，弄清其與普通鋼結構的不同，理解和正確運用設計規范，設計出安全適用、經濟合理的結構。

參考文獻：

［1］劉聲揚，王汝恒.鋼結構——原理與設計［M］.2版.武漢:武漢理工大學出版社，2010.

［2］黃呈偉.鋼結構設計［M］.北京:科學出版社，2015.

［3］戴國欣.鋼結構［M］.4版.武漢:武漢理工大學出版社，2012.

［4］CECS102:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（2012年版）［S］.