門式剛架輕型房屋鋼結構設計的問題探析

馬恩品 （阜陽市建筑設計研究院，安徽 阜陽 236010）

1 門式剛架的柱距和跨度選擇

新規范《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB50122-2015）第5.2.2條規定：門式剛架的柱距，即柱網軸線在縱向的距離宜為6m～9m，根據需要柱距最大可采用12m。通過大量計算分析表明，當柱距超過9m時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量明顯增多，綜合造價并不經濟。在一定條件下，門式剛架存在著最優柱距，下面列出在一般條件下不同跨度所對應的最優柱距：

跨度 最優柱距

9m～12m 5.5m

12m～18m 6m

18m～36m 6m～7.5m

36m～48m 7.5m～9m

一般情況下，當荷載較大(包括屋面吊掛荷載及吊車荷載)時,柱距可取小些,建議為6m～7.5m，剛架跨度宜取24m～30m較為經濟；反之荷載較小時則應加大柱距,宜為7.5m～9m，剛架跨度宜取18m～21m。在實際工程中，一般當剛架跨度超過30m時，宜采用多跨剛架，無吊車時中間可設搖擺柱，其用鋼量較單跨剛架節省。

2 帶夾層的門式剛架設計

帶夾層的門式剛架，常用于廠房、倉庫的附屬用房部分。新規范《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB50122-2015）增加了帶夾層門剛類型,夾層可沿縱向設置（圖1）或在橫向端跨設置（圖2），夾層通常采用鋼筋混凝土樓蓋結構，柱距一般較小。GB50122-2015第3.3.1條和3.3.2條分別對夾層處柱頂的水平位移限值和受彎構件的撓度限值作出規定。

圖1 縱向帶夾層剛架

圖2 端跨帶夾層剛架

根據GB50122-2015第5.1.2條，夾層與柱的連接可以采用剛接或鉸接。不同的連接方式，將采用不同的結構分析方法和構造措施。

當夾層梁與剛架柱選擇剛接時，此處的剛架柱雙向受彎，夾層區域形成了三維框架體系，此時需要使用三維有限元分析方法進行結構的整體分析，一般可采用PKPM-SATWE，sap2000等空間有限元軟件進行分析。

帶夾層門式剛架三維分析和設計應注意以下幾點：

①對夾層鋼構件，軟件采用《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）進行構件設計和驗算。對輕鋼屋面斜梁，建議使用《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB50122-2015）進行設計和驗算。

②根據GB50122-2015第3.1.4條，當抗震設防烈度為7度（0.1g）及以下時，門式剛架輕型房屋一般不需要做抗震驗算，但當設有夾層或有與門式剛架相連接的附屬房屋時，應進行抗震驗算。夾層的縱向抗震設計可單獨進行，對內側柱列的縱向地震作用應乘以增大系數1.2。

③當夾層梁與柱采用剛性連接時，夾層梁翼緣與柱翼緣采用全熔透焊接，腹板采用高強螺栓與柱連接。柱與夾層梁上下翼緣對應處應設置水平加勁肋。

3 伸縮縫間距的設計

GB50122-2015第5.2.4條規定，門式剛架輕型房屋鋼結構的溫度區段長度應符合下列要求：縱向溫度區段不宜大于300m;橫向溫度區段不宜大于150m,當橫向溫度區段大于150m時,應考慮溫度的影響；當有可靠依據時，溫度區段長度可適當增加。

GB50122-2015第6.3.1條規定：當房屋總寬度或總長度超出本規范第5.2.4條規定的溫度區段最大長度時，應采取釋放溫度應力的措施或計算溫度作用效應。房屋縱向釋放應力的措施可采用在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔。

門式剛架輕型房屋鋼結構橫向無吊車跨可以在屋面梁支承處采用橢圓孔或可以滑動的支座釋放溫度應力。

門式剛架輕型房屋鋼結構橫向每一跨均有吊車時，應計算溫度應力；設置高低跨可顯著降低溫度應力，溫度區段長度可適當增加，見圖3。

圖3 橫向設高低跨可降低溫度應力

4 屋面單跨鋼梁設計

近年來，2～3層的鋼筋混凝土框架結構房屋在頂層抽柱后，屋蓋時常采用實腹式鋼斜梁的情況時有發生，鋼斜梁擱置在混凝土柱頂的預埋鋼板上，并通過預埋在混凝土中的錨栓固定。該結構體系與門式剛架不同的是鋼筋混凝土柱代替了鋼柱，混凝土柱底部為剛接，但鋼梁與鋼筋混凝土柱因材料不同，難以實現剛接。

鋼斜梁的設計可依據《民用建筑工程常見問題分析與圖示》（05SG109-4）第3.3.6條規定，鋼斜梁與柱頂應按承受水平推力的鉸接連接進行構造設計如圖4。所構成的跨變排架應重新進行內力分析。除應驗算鋼斜梁的承載力外，還應按承載力和柱頂位移限值確定鋼筋混凝土柱的截面尺寸和配筋。

圖4 混凝土柱與屋面鋼斜梁的鉸接連接

鋼梁撓度容許值目前有較大爭議，在《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）附錄A.1.1中規定了主梁（包括懸掛起重設備的梁）的撓度容許值為L/400，而抹灰頂棚的次梁和其他梁的撓度容許值為L/250；《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB51022-2015）表3.3.2中規定僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的鋼斜梁撓度限值為L/180,尚有吊頂的鋼梁撓度限值為L/240,有懸掛起重機時為L/400。當按L/400控制撓度時顯得過于保守和不經濟，且無懸掛起重設備，但按照L/180控制撓度時會使鋼梁比較柔，當遇到大雨、大雪等極端天氣時，會導致鋼斜梁局部撓度過大而影響使用。考慮到采用輕型屋面，荷載較小，施工時還可以采用起拱來調節鋼斜梁撓度，結合以往工程經驗，建議鋼梁撓度可根據使用功能控制在L/400～L/250之間為宜。

5 結語

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB50122-2015）已于2016年8月1日正式實施，并首次從協會標準上升為國家標準。新規范擴大了原門式剛架規程的適用范圍，如高度、跨度限值有所放寬；增加了夾層設計內容；明確了雪荷載按100年重現期取值等。門式剛架輕型房屋鋼結構在我國的應用范圍越來越廣泛，技術日趨成熟，但需要總結、完善和研究的問題仍然較多，工程技術人員應根據工程實際選擇計算模型，注重整體分析，進行優化設計，除主剛架強度和穩定計算外，還應注重支撐體系的布置。只有遵循上述原則，才能保證結構設計的安全性和經濟合理性。