單層門式鋼架的設計優化

李 耀 曹正斌

（中機國際工程設計研究院有限公司 湖南長沙 410000）

1 引言

21世紀后，我國不斷引進新的設計理論和方法，為鋼結構的運用和發展提供了有力保障。在新時代背景下，傳統鋼結構無法滿足新工藝、新設備和新材料的使用需求，與鋼筋混凝土結構和普通鋼結構相比，單層門式鋼架因其優越性和經濟效益，迅速成為業內人士關注的熱點。在建筑工程中，若是單跨鋼架則采用鋼接焊接，若為多跨則采用鋼接和鉸接混合設計，這種設計方式能夠有效保證構件不受外力影響而發生形變，值得引起關注與重視。

2 單層門式鋼架國內外發展狀況

2.1 國外發展與研究現狀

單層門式鋼架最早出現在美國，經過長時間發展與運用，現在已經形成一種相對完善的結構體系。隨著設計形式多樣化發展，業主無需帶著圖紙委托施工，只需要向承包商進行訂購，且承包商能按照業主的要求在規定時間內完成、交付即可。據調查單層門式鋼架在國外各行業領域中的運用情況為：商業（銀行、車庫設施等）占比42%，制造業（制造廠房、倉庫等）占比34%，文化娛樂業（學校、醫院、福利設施等）占比9%，其它（簡易房、小型工廠、改擴建等）占比15%。

2.2 國內發展與研究現狀

我國單層門式鋼架結構的研究與應用起步相對較晚，根據我國經濟建設的需要，建設部將“輕型鋼結構門式鋼架”作為快速房屋體系發展的方向之一，在相關城市廠房工程中進行了試點研究，為門式鋼架結構的應用積累了經驗。為了更好地推動門式鋼架結構的發展，我國建筑金屬結構協會等單位聯合研究并編制了《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》，該規范為門式鋼架結構的運用與發展提供了可靠的技術基礎。

近幾年，我國這對門式鋼架設計的研究主要集中在門式鋼架抗震設計、輕型鋼結構穩定性研究與輕鋼結構的蒙皮效應等方面。

3 單層門式鋼架結構的主構件優化設計

3.1 鋼架的建筑尺寸和布置

單層門式鋼架跨度適宜控制在10～35m內，若柱寬度不均等，應將其統一向外側對齊；門式鋼架結構的高度可根據室內高度進行調整，一般在4.5～9m內；門式鋼架間的距離需要綜合考慮到鋼架跨度、負荷大小，通常可將間距設置為6m、7.5m和9m；確保縱向、橫向溫度區段分別小于300m、150m。

鋼架荷載的荷載組合：

（1）屋面均布荷載不與雪荷載同時考慮，應選取二者中的較大值；

（2）同時考慮積灰荷載與雪荷載或屋面均布活載中的較大值；

（3）風荷載不可與地震荷載一同考慮。

3.2 鋼架最優間距的確定

鋼架間距的確定與屋面荷載、檁條形式等原因相關，若鋼架跨度較小的話，選用較大的鋼架間距則會增加檁條的用鋼量，經濟性較差。經過相關計算可知，隨著柱距的增加，鋼架用鋼量比例呈逐漸下降的趨勢，當柱距增大到一定數值后，鋼架用鋼量的下降幅度較為平緩。通常柱高6m時，各種跨度對應的鋼架最優間距為：跨度在9～12m范圍時，最優間距為5.5m；跨度在12～18m時，最優間距為6m；跨度在18～36m范圍時，最優間距為6～7.5m；跨度在36～45m范圍時，最優間距為1/5～1/6跨度。

3.3 單層門式鋼架結構設計

（1）通常情況下，門式鋼架結構構件強度和彎折性較弱，故在其運輸和安裝過程中應做好相應的防護措施，防止構件發生形變；

（2）做好墻體、房頂和面板間的對接處理，提高整個支撐結構的穩定性；

（3）由于構件屬于鋼材材質，故其使用過程中應考慮到鋼材生銹對結構構件受力造成的負面影響；

（4）在單層門式鋼架結構設計中，應合理處理輕型化造成的一系列問題，包括大風力可能會增加屋面荷載等；

（5）通常在實際應用中，單層門式鋼結構會選擇框排架結構體系，這一結構通過多榀并排平面主框架在某些縱向構件連接形成的空間結構體系；在主框架選型方面，通過鋼屋架代替框架橫梁，再將梯形屋架和三角屋架作為主要的結構形式。

3.4 連接節點的優化設計

單層門式鋼架橫梁與柱的連接通常采用以下三種形式：①端板豎放。這種連接形式對螺栓或焊縫的要求較高；②端板平放。這種連接形式的剛度較小，通常需要梁柱加腋，但安裝操作較為便捷；③端板斜放。端板斜放鋼架的剛度最大，但構件制造和安裝的難度較大。斜梁拼接點適宜采用端板外伸式，這種類型的節點受力相對合理，承載力較高，故應盡量采用外伸式端板連接。

4 圍護構件的優化設計

4.1 檁條與墻梁

檁條形式包括有型鋼檁條和組合檁條，在門式鋼架中常選用的截面形式為實腹式冷彎薄壁C型或Z型；檁條間距的確定應考慮到天窗面積及數量、采光度要求、檁條長度及剛度等因素，若工程沒有特殊要求的話，通常采用等間距布局，即在屋脊兩側均勻布置一道，在天溝布置一道。墻梁通常支撐于建筑物的承重柱或墻架柱上，將墻體的荷載傳遞給柱子；墻梁布置原則與檁條相似。

4.2 支撐和剛性系桿的布置

（1）在每個溫度區域內均要確保其具有獨立的空間穩定性結構；

（2）在柱間支撐開間設計過程中，有必要對屋蓋進行橫向支撐結構設計，有利于提高整個結構的幾何穩定性；

（3）端部支撐通常會設置在溫度區段端部的第一、二個開間位置；柱間支撐距離應結合房屋縱向受力分布情況進行確定，通常控制在30～45m范圍內；

（4）在鋼架轉折處，可結合房屋長度來設置剛性系桿，或者采用檁條材料代替剛性系桿，但若檁條的受力和剛度性能達不到相關要求，可考慮在鋼架斜梁間加裝H型鋼或鋼柱，以提高整體結構的工作強度。

4.3 空間的優化設計

單層門式鋼架的優化設計中，應在充分了解房屋功能和施工工藝要求的基礎上，重視空間層面的優化，對鋼結構的分析意見以及投資影響較大的限制因素，應及時反饋給設計人員和建設單位；在吊車噸位方面，應根據實際要求選擇合適的吊車重量，盡量選擇自重輕的吊車。

5 基于實例分析單層門式鋼架的優化設計

5.1 工程概況

本工程主要使用功能為工業廠房，建筑面積為7328.60m2，屋面采用擦條上鋪彩色鋼板，外圍護墻采用彩色鋼板；設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，鋼結構部分維護檢修年限不超過10年。

單層門式鋼架結構設計：門式鋼架長56m，共兩跨；邊柱標高為15m，中柱標高為16.4m；考慮到該工業廠房需要較大的操作空間，故將鋼架分為兩類：①中間不抽柱的鋼架；②抽柱式鋼架。

5.2 結構布置

本工程有兩種鋼架平面模型，普通榀鋼架GJ-1和抽柱榀鋼架GJ-2。本文重點分析抽柱榀鋼架GJ-2結構設計。

5.3 GJ-2結構設計

5.3.1 鋼架斜梁

考慮構件屈曲后強度時，其強度計算應力比為0.635＜1.0；構件經計算后得出抗剪強度應力比為0.115＜1.0。

5.3.2 鋼架柱頂水平位移分析

抽柱榀門式鋼架在平面內的剛度小，根據規范的規定，無吊車的單層門式鋼架柱頂的位移不宜超過h/60（h為鋼架柱高度），經檢驗，設計滿足規范要求。

5.3.3 受彎鋼架斜梁的撓度驗算

因為抽柱的原因，鋼架抽柱處的梁撓度增大，故控制好抽柱處鋼架梁的撓度十分重要。按照規范中受彎構件撓度的允許值，恒載加活載作用下的允許撓跨比1/180來控制鋼架梁的撓度，滿足規范規定的要求。

5.4 支撐設計

5.4.1 支撐設計原則

（1）確保結構能夠明確的傳遞縱向荷載，縮短結構的傳力途徑；

（2）保證結構體系平面外的穩定性；

（3）保證結構安裝的便捷性；

（4）支撐必須滿足強度、剛度設計要求。5.4.2屋蓋水平支撐的設計

由于本工程存在局部抽柱的現象，為了保證屋蓋的剛性，對屋蓋縱向進行了如下設計：縱向支撐增加了鋼架之間的相互約束，有利于調整結構的剛度，提高結構的整體性，使結構受力狀態成空間性。

5.4.3 柱間支撐

本工程由于抽柱的原因需要在托梁兩端設置柱間支撐，以此來提高結構的縱向剛度。本工程柱間支撐采取交叉形，通常這種設計方式可以按照受拉桿件進行設計，即僅考慮其中一根桿件受拉。

6 結語

綜上所述，在單層門式鋼架結構的設計優化實施中，仍存在諸多不足有待優化和完善，在現代建筑行業持續發展的背景下，對單層門式鋼架結構的選擇與應用將會成為主流趨勢，為此，在實際的結構設計工作中因加強重視，從而為鋼結構的具體設計提供理論依據，保障鋼結構設計的科學性、合理性。

[1]林賢根.門式鋼架優化與傳統設計的相關特性比較及幾個合理設計參數[J].工業建筑，2013，43（7）：135～138.

[2]李佳欣，張勇.新規范雪荷載取值在門式鋼架輕鋼結構檁條設計中的應用研究[J].工業建筑，2013，43（7）：115～119.

[3]李丹，鄭月.淺談寒冷地區季節性凍土地基門式鋼架輕型房屋鋼結構基礎穩定性驗算[J].林產工業，2016，43（7）：59～61.

[4]梁德志，陳雪峽.門式鋼架輕鋼廠房屋蓋豎向風振等效靜力風荷載研究[J].工程力學，2013，30（b06）：175～179.