淺析一榀輕型門式剛架的計算要點

李素華

隨著我國經濟的快速發展和工業化水平的提高，越來越多的工業建筑采用鋼結構設計，特別是大跨度結構和輕鋼屋面結構，在滿足使用和工藝要求的前提下，用鋼結構設計要比用鋼筋混凝土結構設計優勢更大。

一、工程概況和結構方案

本工程為三聯跨（24.0m+24.0m+18.0m）全鋼輕型門式剛架結構廠房，用于一般汽車零部件機械加工。門式剛架的間距，即柱網軸線在縱向的距離為9.0m，共有24榀門式剛架，雙坡屋面，其坡度為1/20，屋脊高度為14.15m，屋檐高度12.5m，女兒墻高0.7m；每跨為2臺10T電動雙梁吊車，軌頂標高為9.0m；屋面要考慮太陽能光伏發電裝置的荷載，其荷載按0.2 kN /m2考慮，屋面不考慮積灰荷載和其它附加吊掛荷載；屋面外板采用0.6mm厚360度卷邊鍍鋁鋅板，中間用100mm厚優質粉紅色離心玻璃棉卷氈（在24℃環境下容重約16kg/m3），外墻外板采用50mm厚聚氨酯夾芯板，屋面內板和外墻內板均用0.5mm厚鍍鋁鋅壓型鋼板做襯板。

二、一般門式剛架輕型房屋鋼結構廠房的特點和荷載取值

一般門式剛架輕型房屋鋼結構廠房，具有受力簡單、傳力路徑明確、構件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點；門式剛架可按二維平面剛架模型去計算。根據本文的重點講解和結合現行有關規范的規定，僅對計算中間跨一榀門式剛架需要的荷載進行統計。

屋面恒荷載：0.3kN/m2（指屋面圍護構件檁條、支撐、拉條等屋面次構件自重），太陽能按恒荷載：0.2kN/m2，合計輕鋼屋面恒荷載取0.5kN/m2。

屋面活荷載：根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB 51022-2015）（以下簡稱《門剛規范》）4.1.3條的規定：對承受荷載水平投影面積大于60m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.30 kN/m2，故對于剛架計算，屋面活荷載取：0.3 kN/m2。

根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）（以下簡稱《荷載規范》）7.1.2條及條文說明、續表E.5的規定：對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓，湖北省老河口市取基本雪壓：0.4 kN/m2（100年一遇），同時取基本風壓：0.3 kN/m2（50年一遇）；根據《門剛規范》4.3.1條規定：基本雪壓按現行國家標準《荷載規范》規定的100年重現期的雪壓采用，故取基本雪壓：0.4 kN/m2（100年一遇），轉化為剛架梁線荷載：0.4 x9=3.6 kN/m（考慮均勻分布的情況）。若根據《門剛規范》表4.3.2的規定：對于單跨雙坡屋面要考慮不均勻分布的情況，沒有屋面坡度限值，即一半跨為0.75，轉化為剛架梁線荷載：0.75x0.4x9=2.7kN/m，另一半跨為1.25，轉化為剛架梁線荷載：1.25x0.4x9=4.5 kN/m，而《荷載規范》表7.2.1規定：單跨雙坡屋面僅當坡度在20～30度范圍時，可采用不均勻分布情況，這與《門剛規范》表4.3.2有沖突。對于多跨一個雙坡屋面沒有明確規定是否考慮雪荷載不均勻分布的情況，為了更好地了解雪荷載分布對門式剛架用鋼量的影響，本文第一個計算模型僅考慮了雪荷載均勻分布的情況，第二個計算模型考慮了雪荷載均勻分布的情況和不均勻分布的情況，其它荷載、參數都一樣，分別進行了兩種計算模型計算與分析。

屋面活荷載與雪荷載不同時考慮，在計算軟件PKPM中活荷載工況中定義為互斥荷載。

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）（2016年版）附錄A.0.15的規定：老河口市抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。根據本工程的地勘報告可知場地類別為Ⅱ類，場地土類型為中軟場地土，建筑抗震設防類別為丙類，地面粗糙度為B類。

三、計算軟件PKPM --STS（2010年V3.2版）的設計計算與分析

根據《門剛規范》1.0.2條規定：本規范適用于房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋、無橋式吊車或由起重量不大于20t的A1～A5工作級別橋式吊車的單層鋼結構房屋；又根據《門剛規范》5.2.2條規定：門式剛架的單跨跨度宜為12m～48m，門式剛架的間距宜為6m～9m；又根據《門剛規范》5.2.3條規定：門式剛架輕型房屋的屋面坡度宜取1/8～1/20；又根據《門剛規范》5.2.4條規定：門式剛架輕型房屋鋼結構的溫度區段長度：1.縱向溫度區段不宜大于300m；2.橫向溫度區段不宜大于150m。結合本項目的實際情況，均符合《門剛規范》有關規定。

計算軟件按PKPM- STS（2010年V3.2版）二維門式剛架模塊設計，結構類型按“門式剛架輕型房屋鋼結構”，設計規范按《門剛規范》計算，其它主要參數按相應規范取值，注意：屋面活荷載要考慮不利布置情況，雪荷載按一次加載。

第一個計算模型僅考慮了雪荷載均勻分布的情況，配筋包絡和鋼結構應力比圖見圖1，此模型用鋼量統計：所有鋼柱的總重量 (kg)= 4801，所有鋼梁的總重量 (kg)=3999，鋼梁與鋼柱重量之和 (kg)= 4801+3999=8800。

圖1

第二個計算模型考慮了雪荷載均勻分布的情況和不均勻分布的情況，配筋包絡和鋼結構應力比圖見圖2，此模型用鋼量統計：所有鋼柱的總重量 (kg)= 4844，所有鋼梁的總重量 (kg)= 4275，鋼梁與鋼柱重量之和 (kg)=4844+4275=9119。

圖2

兩個計算模型相比，第二個計算模型比第一個計算模型屋面雪荷載僅多考慮了不均勻分布的情況，其它荷載、參數都一樣，結果兩榀剛架用鋼量相差：9119-8800=319 kg，如果本工程僅對24榀門式剛架用鋼量統計，即24x319=7656 kg，兩者相差7656 kg鋼材。

四、結語

根據本工程的實際算例和結合個人經驗，多跨一個雙坡屋面，如雪荷載比較大的話，如大于0.5kN/m2，屋面要考慮雪荷載不均勻分布的情況，如雪荷載不大的話，屋面可以不考慮雪荷載不均勻分布的情況；另外，屋面安裝了太陽能光伏發電裝置，門式剛架斜梁的構件撓度限值按L/180還是L/240控制？這些需要設計人員注意和自行考慮。