門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析闡述

鐘敏君

（湖南省輕工紡織設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)得到了迅猛的發(fā)展。它具有工業(yè)化程度高、施工周期快、環(huán)境污染低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)、體育場(chǎng)館等建筑中應(yīng)用十分廣泛。但是在門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，很容易因?yàn)楦鞣N特殊因素的影響，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[1]。

因此，研究分析門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)概述

與傳統(tǒng)的屋架結(jié)構(gòu)相比，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)本身的截面尺寸較小，可以充分利用建筑的內(nèi)部空間，減少建筑的建筑面積。此外，剛架結(jié)構(gòu)本身的鋼度更強(qiáng)，便于運(yùn)輸、制造和安裝，同時(shí)還具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 施工周期短

所有構(gòu)件都可以提前在工廠進(jìn)行預(yù)制，然后在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接安裝[2]。再加上門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)本身重量較輕，在施工過(guò)程中安裝較為簡(jiǎn)便，有效的縮短了建筑的施工周期。

1.2 空間利用率高

相比較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)本身的截面積較低，可以有效的提高建筑物內(nèi)部的有效利用面積，且能夠滿足建筑物大跨度的要求，可以降低建筑物裝修的費(fèi)用支出，再加上鋼材本身的價(jià)格較低，采用門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)具有較高的空間利用率和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

1.3 便于拆卸，符合環(huán)保理念

當(dāng)建筑物本身需要拆遷時(shí)，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)可以快速的拆遷，且鋼材本身可以進(jìn)行回收重復(fù)利用，減少了對(duì)周圍環(huán)境的污染，符合當(dāng)前綠色環(huán)保的發(fā)展理念。

2 門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要是由三部分組成，包括主體承重結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及輔助結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)可以分為單跨、雙跨、多跨等多種結(jié)構(gòu)形式。一般情況下，單跨結(jié)構(gòu)是用于跨度低于24米的房屋建筑，而雙跨和多跨結(jié)構(gòu)則適用于跨度高于24米的情況。

2.1 平面布置

對(duì)于門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)而言，柱網(wǎng)布置的合理性關(guān)系著整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。首先如果房屋本身的平面面積較大，應(yīng)重視溫度區(qū)段的控制，確保縱向的溫度區(qū)段低于300米，橫向的溫度區(qū)段低于150米。其次對(duì)于多跨門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，為了滿足建筑物的功能需求，可能需要減少部分邊柱或者中間柱時(shí)，可以在設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)臨柱的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)托梁。最后在進(jìn)行屋面檁條布置時(shí)，應(yīng)綜合考慮房屋的采光、通風(fēng)屋脊等因素，對(duì)檁條的間距進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.2 檁條設(shè)計(jì)

作為整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)中次要承重結(jié)構(gòu)，檁條是傳遞屋面荷載到剛架的中間結(jié)構(gòu)。通常情況下，應(yīng)結(jié)合屋面本身的荷載大小以及施工材料的力學(xué)性能，對(duì)相鄰檁條的間距進(jìn)行確定。如果本身門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的單跨跨度較小，可以適當(dāng)降低相鄰檁條的間距，反之可以適當(dāng)增大相鄰檁條的間距。

2.3 支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)可以有效提高門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體性，確保鋼結(jié)構(gòu)體系受力均衡，確保整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性。尤其是柱間支撐的設(shè)計(jì)，它不僅可以有效保障鋼架本身的縱向剛度和整體穩(wěn)定性，而且承受了吊車的水平荷載以及風(fēng)荷載。因此，應(yīng)將柱頂?shù)乃较禇U設(shè)計(jì)成剛性系桿，從而確保屋蓋水平支撐的荷載可以有效的傳遞到柱間支撐上。

2.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

門(mén)式剛架輕型房屋的鋼結(jié)構(gòu)主要包含柱腳、斜梁與柱、斜梁與斜梁之間的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（1）柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：針對(duì)一般的門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，可以采用平板式鉸接柱腳，如果結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜或者有特殊要求時(shí)，可以采用剛接的節(jié)點(diǎn)形式，從而減少柱頂可能出現(xiàn)的位移，確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

（2）斜梁與柱的設(shè)計(jì)：在進(jìn)行斜梁與柱接點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保接點(diǎn)本身的剛度，提高彎矩傳遞的有效性，應(yīng)采用剛接的方式。

（3）斜梁與斜梁的設(shè)計(jì)：該處接點(diǎn)可以選擇無(wú)基礎(chǔ)拼接或者梁拼接接點(diǎn)的方式進(jìn)行連接，前者又可以成為脊節(jié)點(diǎn)，有助解決鋼結(jié)構(gòu)屋面的坡度變化，而后者可以解決鋼結(jié)構(gòu)本身跨度較大時(shí)，斜梁的運(yùn)輸問(wèn)題，常應(yīng)用于彎矩比較小的斜梁連接區(qū)域。

3 門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

某工業(yè)廠房建筑項(xiàng)目，采用單層雙跨門(mén)式輕型鋼結(jié)構(gòu)，屋面采用檁條并上鋪彩色鋼板，廠房外圍護(hù)墻則采用彩色鋼板架設(shè)。建筑面積約為7328平方米，設(shè)計(jì)使用年限為50年。由于本工業(yè)廠房本身工藝布置的要求，需要較大的操作空間，因此采用門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)（如圖1）設(shè)計(jì)時(shí)，抽去了部分剛架中間的立柱，為了確保整體工程的安全性和穩(wěn)定性，采用了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

作為超靜定結(jié)構(gòu)，在對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí)，結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)布置情況以及復(fù)雜程度，彈性的進(jìn)行內(nèi)力的計(jì)算分析。本工程在進(jìn)行門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)分析時(shí)，暫不考慮蒙皮效應(yīng)的影響，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，劃分為橫向的剛架體系以及柱間支撐體系兩部分。其中橫向水平剛架體系，主要是對(duì)豎向恒載和橫向水平恒載進(jìn)行支撐，而支撐體系主要承擔(dān)的是縱向的水平荷載。

圖1 本工程結(jié)構(gòu)示意圖

由于為了滿足工藝布置的要求，部分剛架沒(méi)有設(shè)置中柱，所以本工程的整體剛架平面模型可以劃分為兩種，一種是普通的榀剛架，另外一種則是抽柱榀剛架。其中第1軸到7軸以及第20軸為普通的榀剛架，剩余8軸到19軸則為抽柱榀剛架（如圖2）。

圖2 抽柱門(mén)式剛架示意圖

為了減少抽柱所導(dǎo)致的安全性和穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)8軸到19軸處柱列增設(shè)了縱向剛架，代替柱子本身的支撐作用。同時(shí)在進(jìn)行平面模型計(jì)算時(shí)，將此處的托梁當(dāng)做具有一定剛度的彈性支座，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽柱榀剛架的支撐，將復(fù)雜的空間問(wèn)題簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題。

3.2 榀剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變形分析

（1）普通榀剛架：通過(guò)對(duì)普通榀剛架的水平位移和受彎剛架斜梁的撓度驗(yàn)算，本工程剛架的柱頂?shù)奈灰频陀趆/60，載加活載作用下的允許撓跨比為1/186，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）抽柱榀剛架：相比較普通榀剛架，抽柱榀剛架對(duì)風(fēng)荷載敏感度更高，且其剛架抽柱處的梁撓度更大，因此必須通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，來(lái)確保抽柱榀剛架的水平位移和受彎剛架斜梁的撓度滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)本工程抽柱榀剛架的分析檢查，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均未超過(guò)相關(guān)規(guī)范要求，抽柱榀剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工程要求。

3.3 支撐設(shè)計(jì)

在支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保當(dāng)風(fēng)荷載作用到房屋上時(shí)，抗風(fēng)柱可以有效的將力傳遞給屋面支撐，水平荷載的作用力傳導(dǎo)，則是由屋面支撐傳遞到柱間支撐，最后傳遞給地基基礎(chǔ)，同時(shí)屋面支撐也承擔(dān)了縱向地震力的力學(xué)傳遞。通過(guò)有效的設(shè)計(jì)，明確各結(jié)構(gòu)的傳力途徑，有助于提高整體結(jié)構(gòu)的剛度，避免出現(xiàn)壓桿側(cè)向失穩(wěn)問(wèn)題。

（1）屋面水平支撐設(shè)計(jì)：由于本工程存在部分抽柱情況，導(dǎo)致抽柱區(qū)域的抗側(cè)剛度不足，一旦水平荷載較大，可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移問(wèn)題，嚴(yán)重影響房屋本身的穩(wěn)定性。因此在進(jìn)行屋面水平支撐設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保屋蓋本身的剛性，增設(shè)了縱向支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)水平荷載的有效分配，增強(qiáng)各剛架之間的約束力，提高房屋鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算，選用了25的圓鋼作為屋面水平支撐的材料。

（2）柱間支撐設(shè)計(jì)：柱間支撐的作用在于提高整體結(jié)構(gòu)的縱向剛度，從而有效抵抗風(fēng)荷載和地震荷載的作用力。本工程為了避免因?yàn)槌橹鶎?dǎo)致的抗側(cè)剛度減弱，在托梁的兩端增設(shè)了柱間支撐（如圖3），來(lái)平衡結(jié)構(gòu)的縱向剛度，避免位移出現(xiàn)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。同時(shí)采用十字交叉性柱間支撐設(shè)計(jì)，來(lái)提高柱間支撐的穩(wěn)定性。

圖3 屋面梁與托梁連接節(jié)點(diǎn)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的日漸廣泛，極大的推動(dòng)了我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展。本文結(jié)合實(shí)例分析門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體方法，通過(guò)將空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面模型，采取了有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了抽柱問(wèn)題對(duì)整個(gè)房屋鋼結(jié)構(gòu)的影響，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少了側(cè)移剛度不足所造成的影響。

因此，相關(guān)工作者必須積極提高自身的專業(yè)素質(zhì)能力，科學(xué)合理的進(jìn)行門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。