工業廠房門式剛架輕型鋼結構設計要點分析

段海燕

摘 要：鋼結構屬于一種輕型鋼架結構，在現代建筑行業中得到廣泛應用。這就需要設計人員根據工程的實際情況，充分掌握門式剛架輕型鋼結構房屋設計的特點、適用范圍、結構形式等，同時，還需要對門式剛架的塑性設計與計算、節點設計和支撐布置等方面的知識有充分的了解。

關鍵詞：門式鋼架；輕鋼結構；廠房結構；設計要點

1 發展及應用范圍

門式剛架輕鋼房屋主要由剛架斜梁、剛架柱、抗風柱、支撐系統、檁條、墻梁、鋼系桿、墻面及屋面壓型鋼板等組成，通過螺栓、焊接、自攻釘將其有效的組成三維空間穩定結構，有效地抵抗豎向及水平荷載。其具有傳力直接，抗震性能好，加工制作方便，施工周期短，用鋼量低等特點。門式剛架輕鋼結構起源于20世紀初的美國，早期應用于家庭車庫、臨時營房等簡易建筑，由于構造簡單、成本較低、易拆裝，受到人們青睞，結構設計體系及施工工藝開始了早期發展。20世紀60年代，鋼結構加工技術及噴漆技術有了較大發展，市面上出現了 H 型鋼及冷彎薄壁型鋼，用于屋面及墻面的壓型鋼板色彩更加豐富，耐久性更好，這些極大的推動了門式輕鋼結構的發展，應用越來越廣泛，逐漸成為大型工業廠房、民用單層商場、倉儲庫房、體育場館等建筑的首選結構體系。

我國門式剛架輕鋼結構起步于20世紀70年代，前期由于整體工業水平較低，鋼構件稀缺，發展很緩慢。隨著改革開放，鋼鐵產能大幅提升，鋼結構制作產品的多樣化，焊接 H 型鋼、壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼相繼大批量生產，在這種背景下，門式剛架輕鋼結構的巨大優勢顯現出來，伴隨著《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102 ：98）頒布實施，門式剛架輕鋼結構設計—加工—建造均有規可循，該結構體系被廣泛應用于各個行業的建筑物中。

2 工業廠房門式剛架輕型鋼結構設計要點

2.1 基礎構建設計

（1）墻架構件設計。通常選取卷邊槽形、Z 形冷彎薄壁型鋼作為輕型墻體結構墻梁。可選取簡支、連續構件的方式設計墻梁，并在剛架柱上支承其 2 端。如墻梁具備相應豎向承載力及墻板落地或緊密連接墻板時，無需進行中間柱設置，并要對其自重產生的彎矩、剪力等進行充分考慮。如墻板與墻梁自身重量需墻梁承受，則需對雙向彎曲工況加以考慮。當4m～6m為墻梁跨度，可將拉條設置于跨中位置；如跨度在6m以上，需將拉條分別設置于跨間三分點位置。通常將斜拉條設置于最上層墻梁位置，以此向承重柱、墻架柱等位置傳遞拉力。

（2）支撐體系設計。輕鋼結構工業建筑的鋼排架側向剛度相對較弱，為了抵抗水平風荷載、吊車剎車荷載和地震作用，應在設置柱間支撐的開間同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系，柱間支撐最好設置在溫度區段端部的第一個開間內。柱間支撐的間距應根據建筑的柱距、吊車情況和安裝條件確定，一般無吊車的工業建筑柱間支撐間距不宜超過45m，有吊車的工業建筑柱間支撐間距不宜超過60m。

（3）屋面板與墻板設計：壓型鋼板為門式剛架屋面、墻面最常用的材料，選取預涂層彩色鋼板進行壓型鋼板的制作，0.4mm～1mm為其厚度。

2.2 建筑尺寸

通常情況下門式剛架輕型房屋鋼結構的尺寸應該滿足下列規定：

第一，門式剛架的跨度取值標準為，橫向剛架柱軸線間的距離。

第二，門式剛架的高度的取值標準，應該是地坪至柱軸線與斜梁軸線交點的高度，具體需按使用要求內凈高來確定。

第三，在柱的軸線選擇上，可以通過柱下端中心豎向軸線，而斜梁的軸線則可通過變截面梁段的最小端中心、斜梁上表面平行軸線。

第四，門式剛架輕型房屋的檐口高度，應該按照地坪至房屋外側檁條上緣的高度來確定，其最大高度由地坪至屋蓋頂部檁條上緣高度來決定，而房屋側墻墻梁的外皮之間距離，則為寬度應取的距離，長度則按照兩端山墻墻梁外皮之間距離作為標準取值。通常來說，門式剛架的跨度應該為9m～36m，如果邊柱的寬度不等，那就需要把外側對齊。而一般的高度應該在4.5m～9.0m 之間，如果有橋式吊車時，就不能超過12m。間距，一般要采用6m～9m。挑檐長度可根據使用要求確定，但是通常是在為0.5m～1.2m之間取值，其上翼緣坡度宜與斜梁坡度相同。

2.3 結構平面布置

首先，門式剛架輕型房屋鋼結構的溫度區段長度必須要滿足這兩個規定：第一，縱向溫度區段不大于300m；第二，橫向溫度區段不大于150m。當然，這只是參照值，如果有計算依據和需要時，溫度區段長度可根據工程的實際需要適當加大。

其次，在多跨剛架局部抽掉中間柱，或者邊柱處需要考慮布置托架梁。

再次，屋面檁條的布置應考慮天窗、屋面材料、采光帶、通風屋脊、檁條供貨規格等因素的影響，屋面壓型鋼板厚度和檁條間距應按計算確定。

最后，門式剛架中柱的設計中，通常會采用搖擺柱，搖擺柱的兩端主要是采用鉸接的方式，構造極為簡單，受力也相對簡單。

2.4 剛架節點

門式剛架柱腳宜按鉸接設計，工程上經常使用平板錨栓式鉸接柱腳。當用于工業廠房且有5t以上橋式吊車時或未設置柱間支撐時，應將柱腳設計成剛接，常見的剛接做法有錨栓式、插入杯口式。柱腳錨栓不宜承受柱腳底部水平力，柱底剪力較小時可利用柱底板與砼面摩擦傳遞，剪力較大時應在平板底部設置抗剪鍵承受。一般剛架邊柱與斜梁剛性連接，中柱與斜梁多采用鉸接，對于柱頂位移限制嚴的情況（帶有駕駛室的橋式吊車廠房）也可采用中柱柱頂剛接。斜梁與柱的剛接，可采用端板豎放、端板平放和端板斜放三種形式。剛性連接宜采用高強度摩擦螺栓，螺栓應成對對稱布置，在受拉翼緣和受壓翼緣的內外側均應設置。焊接實腹式I型截面門式剛架承重結構由剛架和基礎兩部分組成。這里須著重指出的是，與傳統鋼結構體系在受力計算時傳力路徑明確相比，門式剛架承重結構體系的剛架、檁條（或墻梁）以及壓型鋼板間通過可靠的連接和支撐相互依托，體系受力更趨向于空間化。

2.5 門式剛架的塑性設計與計算

（1）門式剛架荷載。門式剛架的荷載一般有三類：屋面結構等的自重，即永久荷載；屋面活荷載和雪荷載中的較大者；風荷載。在一般彈性設計中，可根據各類荷載單獨計算剛架中的內力，最后再有目的的對各個構件進行內力組合，求出最不利的內力設計值。而對于超靜定的結構采用塑性設計，可以充分利用結構和構件的塑性性能，達到節約材料的目的。在塑性設計中，找到結構中形成機構的塑性鉸位置，進而求得構件截面的塑性彎矩M，是機構分析的目的。

（2）門式剛架的機構分析。所謂的靜力法，指的是通過求解靜力平衡方程，來確定塑性鉸位置和塑性彎矩的方法。具體的步驟是：為了形成靜定結構，應該去除構件中的超靜定贅余反力，然后繪制荷載作用下此靜定結構的彎矩圖；把贅余反力作用在靜定剛架上，然后在根據具體要求畫出由贅余反力產生的彎矩圖；把前面的兩彎矩圖疊加，求得成機構的塑性鉸位置，求得截面的最大全塑性彎矩MP。根據上述靜力法的分析，一定可以使得平衡條件和機構條件得到滿足，當然，如果找錯了塑性鉸位置，那就很有可能在所確定的塑性鉸位置以外的其他截面上產生大于MP的彎矩，此時，也就背離了屈服條件。所以，求得MP后，還需要進行檢查，確保構件的任何一個截面的彎矩的絕對值不超過MP。

門式剛架輕鋼房屋屬鋼結構的一個重要分枝，這種結構型式有著安全、輕型、環保、施工方便、可拆卸回收等優勢，這與我國環保要求及發展綠色建筑的方向相吻合，隨著鋼結構加工技術提升、輕型成品屋面板及墻面板的出現，相信在城市建設中將會有更多的應用。

參考文獻：

[1] 蔣滌非，謝俊，莊偉.某輕型門式剛架廠房優化設計研究[J].建筑結構，2017（23）.

[2] 張揚.輕型門式剛架鋼結構廠房分析及輕量化設計探討[J].住宅與房地產，2017（17）.