淺談門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾點(diǎn)體會(huì)

方海龍

【摘 要】門式剛架是目前輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種鋼結(jié)構(gòu)形式。本文就門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題進(jìn)行闡述，并對(duì)重點(diǎn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，以供同行借鑒。

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

On the portal frame structure design Experience

Fang Hai-long

（Hebei Jin Ning Du Project Management Ltd Handan Hebei 056003）

【Abstract】Door frame is lightweight steel structure housing the most widely used form of a steel structure. In this paper， the design of portal frame structure to elaborate a common problem， and focus on the design features to summarize for peer learning.

【Key words】Portal frame structure；Design elements

1. 引言

門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，按分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；承重構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面簡要探討一下門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題。

2. 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題

2.1 屋面活荷載取值的問題。框架荷載取0.3KN/m2：已經(jīng)沿用多年，但屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5 KN/m2。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5 KN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于6Om2的可乘折減系數(shù)0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3KN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范保持一致。國外這類，要考慮0.15～0.5KN/m2 的附加荷載，而我們無此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問題。設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)提高至0.5KN/m2。現(xiàn)在有的框架梁太細(xì)，檁條太小，明顯有人為減少荷載情況，應(yīng)特別注意，決不允許在有限的活荷載中“偷工減料”。

2.2 屋脊垂度要控制。框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗(yàn)算坡面斜梁撓度外，是否要驗(yàn)算跨中下垂度？過去不明確，可能不包括屋脊點(diǎn)垂度。現(xiàn)在應(yīng)該是計(jì)算的。一般是將構(gòu)件分段，用等截面程序計(jì)算，每段都要計(jì)算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗(yàn)算跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來就小，脊點(diǎn)下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。本人有此想法，剛架側(cè)移后，當(dāng)山尖下垂對(duì)坡度影響較大時(shí)（例如使坡度小于1/20），要驗(yàn)算山尖垂度，以便對(duì)屋面剛度進(jìn)行控制。

2.3 鋼柱換砼柱。少數(shù)設(shè)計(jì)的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預(yù)埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價(jià)。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時(shí)梁柱只能鉸接，不能剛接多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因?yàn)榛炷潦且环N脆性材料，雖然構(gòu)件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動(dòng)和破壞。有些設(shè)計(jì)，在門式剛架設(shè)計(jì)好之后，又根據(jù)業(yè)主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應(yīng)當(dāng)指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構(gòu)件內(nèi)力也不同，要的工程斜梁很細(xì)，可能與此有關(guān)。

2.4 檁條計(jì)算不安全。主要是檁條計(jì)算問題較大。檁要是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大。在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對(duì)原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）中講的，有的設(shè)計(jì)人員恐怕還不了解，甚至有些設(shè)計(jì)軟件也未考慮。但是，設(shè)計(jì)光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮。再有，設(shè)計(jì)人員往往忽略強(qiáng)度計(jì)算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對(duì)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(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。《規(guī)范》4.1.8和4.1.9條規(guī)定“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計(jì)算；穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算。變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計(jì)算”。有的單位看到國外資料中檁條很薄，也想用薄的。國外檁條普遍采用高強(qiáng)度低合金鋼，但我國低合金鋼Q345的沖壓性能不行，只有用Q235的。國外是按有效截面計(jì)算承載力的，如果用Q235的，又想用得薄，計(jì)算時(shí)還不考慮有效截面，荷載稍大時(shí)檁條就要垮。

3. 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)要點(diǎn)

3.1 柱網(wǎng)布置的確定。輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先要解決的問題是如何配合工藝要求進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置。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。通過已往多個(gè)工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，在門式鋼架設(shè)計(jì)過程中對(duì)柱網(wǎng)安排得出：

（1）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之間的鋼架單位用鋼量（Q235B）為l8～28Kg/m ，當(dāng)跨度在2l～48m之間的鋼架單位用鋼量為25～40Kg/m，當(dāng)檐高為12m、跨度超過48m時(shí)宜采用多跨鋼架（中聞設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨鋼架節(jié)約l8%左右，因此設(shè)計(jì)門式鋼架時(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。對(duì)門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)而言，鋼架用鋼量是最主要的，當(dāng)鋼架跨度較小時(shí)，鋼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(shè)計(jì)門式鋼架時(shí)應(yīng)精確設(shè)計(jì)，合理使用。endprint

（2）隨著柱距增大，其它各部分結(jié)構(gòu)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(gòu)形式，其用鋼量所占比例較大，并最終超過了鋼架的用鋼量。其次是檁條，由于長細(xì)比的要求，用鋼量增加也較快。綜合各項(xiàng)用鋼量，設(shè)計(jì)時(shí)可以做出多種方案進(jìn)行比較，最終選擇最佳方案。

3.2 門式鋼架荷載取值。門式鋼架房屋上作用的荷載一般有：豎向荷載（結(jié)構(gòu)自重、雪荷載、積灰荷載等）和水平荷載（風(fēng)荷載、吊車剎車力），還有地震荷載（水平和豎向）。由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，所以對(duì)地震的反應(yīng)也較輕，這一點(diǎn)對(duì)抗震非常有利。

3.3 鋼架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算方法。

（1）內(nèi)力計(jì)算方法對(duì)于變截面門式鋼架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)鋼架的梁柱全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法 變截面門式鋼架的內(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、粱跨中等截面。

（2）側(cè)移計(jì)算方法變截面門式鋼架的柱頂側(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)鋼架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)。

3.4.1 檁條設(shè)計(jì)。

（1）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 主軸方向計(jì)算彎矩。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)檁條進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。

（2）檁條設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮檁應(yīng)為冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對(duì)原有截面要減弱。同時(shí)強(qiáng)度計(jì)算要用凈斷面，要考慮釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對(duì)小截面窄翼緣的梁影響較大。鋼架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。《規(guī)范》4.1.8和4.1.9條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計(jì)算，穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算。變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計(jì)算 。”（3）檁條設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構(gòu)件，而且也是鋼架梁柱隅撐設(shè)置的支撐體，設(shè)置一定數(shù)量的隅撐可減少鋼架平面外的計(jì)算長度，有效的保證了鋼架的平面外整體穩(wěn)定性。

3.4.2 檁條的拉條和撐桿設(shè)計(jì)。

（1）拉條的設(shè)置：檁條的拉條設(shè)置與是否主要和檁條的側(cè)向剛度有關(guān)，對(duì)于側(cè)向剛度較大的輕型H型鋼和空間桁架式檁條一般可不設(shè)拉條。對(duì)于側(cè)向剛度較差的實(shí)腹時(shí)和平面桁架式檁條，為了減小檁條在安裝和使用階段的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，保證整體穩(wěn)定性，一般需在檁條間設(shè)置拉條，作為側(cè)向支撐點(diǎn)。當(dāng)檁條跨度≤4m時(shí)，可按計(jì)算要求確定是否需要設(shè)置拉條，當(dāng)屋面坡度i>1/10，檁條跨度>4時(shí)，宜在檁條的跨中位置設(shè)置一道拉條，當(dāng)跨度>6m時(shí)，宜在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條或撐竿，在檐口處還應(yīng)設(shè)置斜拉條和撐桿。拉條的直徑為8～12ram，根據(jù)荷載和檁距大小選用。

（2）撐桿的設(shè)置：檁條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(gè)方向的側(cè)向彎曲。撐竿的長細(xì)比按壓桿要求要≤220，可采用鋼管、方管或角鋼做成。目前也有采用鋼管內(nèi)設(shè)拉條的做法。撐竿處應(yīng)同時(shí)設(shè)置斜拉條。

3.5 屋面支撐與柱間支撐的大小確定。

（1）屋面支撐。屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且風(fēng)壓較大時(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時(shí)，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(duì)廠房來說：分為上層支撐和下層支撐。上層支撐計(jì)算時(shí)，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿按柔性拉桿計(jì)算 交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時(shí)一般用圓鋼，較大時(shí)應(yīng)采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時(shí)，應(yīng)交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計(jì)。

3.6 隅撐的作用與設(shè)計(jì)。

隅撐之所以要設(shè)，是因?yàn)殇摷苄绷菏芰Φ淖兓Ｔ诤愫奢d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(wěn)定提供了可靠的支撐。所以一般情況下梁的平面外計(jì)算長度取兩倍的檁條間距，上翼緣的穩(wěn)定可以保證 但在受到風(fēng)吸力荷載作用時(shí)，下翼緣受壓，上翼緣受拉，這樣下翼緣的穩(wěn)定性沒有可靠的平面外支撐。因此，在梁的下翼緣上應(yīng)加設(shè)隅撐給鋼粱的下翼緣提供支撐。隅撐一邊與梁的下翼緣連接，一邊與檁條連接。

4. 結(jié)語

在輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和重點(diǎn)的把握及合理配置，可以有效地起到方便制作、安裝，節(jié)約鋼材用量的作用輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)具有造價(jià)低、重量輕，安裝方便.施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廠房中得到較為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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