淺析門式剛架設計中荷載的取值

郭海利

摘 要：本文主要介紹了門式剛架鋼結構在結構設計中不論是主結構還是次結構，荷載取值錯誤、漏輸、錯輸的情況及對其結構計算的影響。

關鍵詞：門式剛架；荷載；設計

1 前言

伴隨著我國經濟與科學技術的快速發展，鋼結構已逐步在工業廠房，商業大樓，民用住宅，大型場館等公共建筑中被廣泛應用。輕型鋼結構除具有普通鋼結構的材質均勻，可靠性高；強度高，重量輕；塑性韌性，抗震性能好；便于機械化制造，施工期短；可回收，建筑造型美觀等特點以外，一般還具有取材方便，用料較省，自重更輕等特點。它對加快基本建設速度，特別對中小型企業的建設，以及對現有企業的挖潛、革新、改造等工作能夠起到顯著地作用，因而受到建設單位，尤其是在工業建筑中的普遍歡迎。由于輕型鋼結構的經濟指標很好，總造價較低，再加上結構自重輕為改革重型結構體系創造了條件。因此，輕型鋼結構是很有發展前途的一種結構形式。

在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構件，單跨剛架的梁柱節點采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎剛接或鉸接；維護結構多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃絲綿。門式剛架輕型房屋鋼結構設計一般采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，按分項系數設計表達式進行計算；承重構件按承載力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計。

2 門式剛架的適用范圍及特點

2.1 門式剛架適用范圍

門式剛架通常用于跨度9米～36米、柱距6米，柱高4.5米～12米，設有吊車起重量較小的單層工業房屋或公共建筑（超市、娛樂體育設施、車站候車室、碼頭建筑）。設置橋式吊車時，宜為起重量不大于20t的中、輕級工作制的吊車，設置懸掛吊車時，其起重量不宜大于3t。

2.2 輕型門式剛架鋼結構由主結構和次結構組成

主結構包括橫向框架、縱向支撐及系桿，次結構包括檁條、隅撐及屋墻面板。計算分析一般是將主次結構組成的空間問題簡化為二維平面問題，即橫向簡化為平面剛架，縱向簡化為屋面水平支撐和柱間支撐，檁條簡化為單跨簡支或多跨連續檁條，采用鋼結構設計軟件進行。特點主要有：

（1）采用輕型屋面，可減小梁柱截面及基礎大小。

（2）在大跨建筑中增設中間柱做成一個屋脊的多跨大雙坡屋面，以避免內天溝排水。中間柱可采用鋼管制作的上下鉸接搖擺柱，占空間小。

（3）剛架側向剛度可藉檁條和墻梁的隅撐保證，以減少縱向剛性構件和減小翼緣寬度。

（4）跨度較大的剛架可采用改變腹板高度、厚度及翼緣寬度的變截面。

（5）剛架的腹板允許其部分失穩，利用其屈曲后的強度，即按有效寬度設計，可減小腹板厚度，不設或少設橫向加勁肋。

（6）豎向荷載通常是設計的控制荷載，地震作用一般不起控制作用。但當風荷載較大或房屋較高時，風荷載的作用不應忽視。

（7）為使非地震區支撐做得輕便，可采用張緊的圓鋼。

（8）構件可全部在工廠制作，工業化程度高。構件單元可根據運輸條件劃分，單元之間在現場用螺栓連接，安裝方便快速，土建施工量小。

3 永久荷載取值問題

對于門式剛架輕型鋼結構而言，永久荷載包括屋墻面板、通風器、檁條、支撐系桿、剛架梁柱及連接等構配件的自重。常見永久載取值問題：

（1）永久荷載漏算或取值偏小。少算或漏算建筑已確定的構件自重、吊頂荷載或懸掛荷載，這將導致豎向永久、可變荷載控制設計時，結構計算內力及變形偏小。

（2）計算中漏算剛架自重。如鋼結構在采用STS計算剛架時，計算總信息顯示“梁柱自重計算信息IA”為0，即程序設定不算自重。一般剛架計算自重參數必須填寫正確。

（3）屋面板或墻面板荷載取值偏小或漏算。如剛架工程采用夾芯雙層壓型鋼板，計算卻按單層板重量采用；墻梁計算中一側墻板重量未計入，少算了墻板總重對墻梁弱軸所引起的效應。

（4）漏算縱向構件傳至橫向剛架的荷載，如抽柱設置托梁處漏算或少算托梁傳來的荷載；未計入屋面通風器自重荷載。

（5）永久荷載受荷寬度取值偏小，致使剛架或檁條每延米恒載偏小。

（6）漏算少算懸掛荷載，CECS102第3.2.1條規定“懸掛荷載應按實際情況取用”，如對展廳、超市或廠房內可能在屋面小懸掛設備、管道或吊頂。

4 可變荷載取值問題

對輕型門式剛架而言，一般可變荷載包括屋面可變荷載、屋面積灰荷載及施工或檢修荷載。

屋面剛架荷載取值較大和屋面檁條荷載取值偏小。《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102：2002）（2012年版）中第3.2.2條附注“對受荷水平投影面積大于60 m2的剛架結構，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3kN/m2。”這是針對剛架計算的。部分工程在計算檁條時，本應按0.5kN/m2取值，卻取上述僅適用剛架的0.3 kN/m2。一個特殊的情況是，若存在兩個或兩個以上可變荷載并計入荷載組合系數參與組合時，即使屋面投影面積大于60m2，屋面活載仍應取0.5kN/m2，其依據是《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）中第3.2.1條注：“對支承輕屋面的構件或結構（檁條、屋架、框架等），當僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60 m2時，屋面均布活荷載標準值應取0.3kN/m2”。

案例分析：精粉儲存大棚，見右圖，結構形式為單層雙跨門式剛架結構，跨度21米，柱距7.5米，剛架的計算面積為右圖中陰影部分，面積為7.5×7×6=315 m2≥60 m2，根據規范要求計算GJ屋面均布活荷載取0.3 kN/m2。屋面均布活荷載：當采用0.5 kN/m2時，每榀GJ的用鋼量為4062.1kg，當采用0.3kN/m2時，每榀GJ的用鋼量為3534.6kg。從計算結果可以看出每榀GJ相差4062.1-3534.6=527.5 kg。

5 風荷載取值問題

門式剛架自重輕，對風荷載非常敏感，在風吸力作用下往往會發生荷載效應反向的情況，在基本風壓較大的地區一般是由風荷載工況控制設計的。若風荷載取值偏小，類似于前述恒載取值偏大的情況（恒-1.4風）組合效應減小，會使結構或構件的實際變形和內力大于計算值，原本構件或板件應出現較不利的受壓穩定問題變成受拉強度問題?；撅L壓W0按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009的規定值乘以1.05采用；當按以上方法計算風荷載時，橫向剛架兩側墻面風壓體型系數的代數和不宜小于1.2（不論是否分區、是否封閉）。

5.1 體型系數取值

根據CECS102第A.0.2條規定，門式剛架若符合低矮房屋的特征，即：屋面坡度α≤10°、屋面平均高度≤18m、房屋高度比≤1、檐口高度≤房屋的最小水平尺寸時，應按CECS102附錄表A的體型系數取用。

剛架計算未區分端區和中間區不同的體型系數，圍護結構計算未區分邊緣帶、中間區及角部不同的體型系數，均采用體型系數較小的中間區，導致位于端區邊緣帶、角部構件不安全。

5.2 風荷載控制時，恒載取值偏大

門式剛架結構自重一般較輕，單層屋面壓型鋼板及檁條自重僅為0.1～0.15kN/m2，而作用方向相反的屋面基本風壓按荷載規范要求至少達0.3 kN/m2，故在（恒-1.4風）工況組合下其荷載效應一般小于0，即構件下翼緣產生壓應力。由于風荷載參與組合下屋面構件自重對結構有利的，故恒載取值偏大較多時會使（恒-1.4風）組合效應減少，下翼緣壓應力減少，甚至使下翼緣出現拉應力，掩蓋了檁條實際存在的下翼緣受壓穩定問題。

6 結束語

目前，鋼結構計算機輔助設計軟件功能越來越全，智能化程度越來越高，比如PKPM-STS可以人工空間建模、自動平面計算，甚至可以做到根據輸入的原始參數自動選擇截面。因此，在輕型門式剛架設計將空間問題簡化為平面問題過程中，應重視永久荷載、可變荷載、風雪荷載及吊車荷載的取值大小、受荷面積及作用方向，同時應正確理解規范和規程中關于荷載方面各條款的編制背景，以便在設計中正確應用。

參考文獻：

[1] GB 50017-2003.鋼結構設計規范[S].

[2] CECS 102：2002.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[3] GB 50009-2012.建筑結構荷載規范[S]

[4] 陳岱林，趙兵，劉民易.PKPM結構CAD軟件問題[J].