淺談門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些問題

王雷

（南京工大膜工程設(shè)計研究院有限公司 江蘇南京 210009）

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)具有自重輕、結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工周期短等優(yōu)點，常見的門式剛架結(jié)構(gòu)在橫向是一榀剛架，縱向則是由剛性系桿及支撐系統(tǒng)形成的穩(wěn)定體系。門式剛架設(shè)計看似簡單，但小知識點較多，且結(jié)構(gòu)體系需要配合很多構(gòu)造措施來，需要設(shè)計師具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，故筆者結(jié)合自己的工程經(jīng)驗對一些常見問題進(jìn)行闡述。

1 門式剛架規(guī)范的適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015），以下簡稱《門剛規(guī)范》的適用范圍是一個在實際設(shè)計過程中容易被忽視的問題，一些設(shè)計人員常常看到大跨度輕型屋面的鋼結(jié)構(gòu)，就默認(rèn)為是采用門式剛架結(jié)構(gòu)，這是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹！堕T剛規(guī)范》第1.0.2條中對規(guī)范適用范圍做了明確規(guī)定，就筆者個人的經(jīng)驗，房屋高寬比及吊車起重量超出適用范圍的情況時有出現(xiàn)，應(yīng)結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》及其他相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，支撐布置等一些構(gòu)造要求可參照《門剛規(guī)范》。

2 門式剛架鋼梁的平面外計算長度

門式剛架鋼梁的平面外計算長度直接關(guān)系到鋼梁構(gòu)件截面的選取，若計算長度取值大，構(gòu)件截面選取較大，造成浪費，若平面外計算長度取值小，構(gòu)件截面選取較小，安全儲備不夠，有安全隱患，所以準(zhǔn)確把握鋼梁平面外的計算長度顯得尤為重要。

根據(jù)《門剛規(guī)范》第7.1.6.2條，“實腹式剛架斜梁的平面外計算長度，應(yīng)取側(cè)向支承點的間距；當(dāng)斜梁兩翼緣側(cè)向支承點間的距離不等時，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支承點的距離。”其中“側(cè)向支承點間距”很多設(shè)計人員都默認(rèn)取為2倍的檁條間距，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｊ紫龋瑱_條鉸接于鋼梁的上翼緣，并不能直接作為鋼梁平面外的側(cè)向支承點，鋼梁的平面外計算長度與檁條間距并沒有直接的倍數(shù)關(guān)系；其次，當(dāng)檁條與鋼梁之間設(shè)置了隅撐，且隅撐的設(shè)置滿足了《門剛規(guī)范》第7.1.6.4條之要求時，“下翼緣受壓的屋面斜梁的平面外計算長度可考慮隅撐作用”，此時僅是可以考慮隅撐的作用，規(guī)范并未說此時可按隅撐間距定義鋼梁平面外計算長度，且只是“下翼緣受壓”的鋼梁區(qū)段。對于如何考慮隅撐的作用，《門剛規(guī)范》第7.1.6.7條有相關(guān)計算公式，另外，最新的PKPM-STS計算軟件中，在剛架二維計算定義鋼梁平面外計算長度時，也有考慮隅撐作用的選項。

《門剛規(guī)范》第7.1.6條的條文說明中也做了補充說明，“屋面斜梁的平面外計算長度取兩倍檁距，似乎已成了一個默認(rèn)的選項，有設(shè)計人員因此而認(rèn)為隅撐可以間隔布置，這是不對的。本條特別強調(diào)隅撐不能作為梁的固定側(cè)向支撐，不能充分地給梁提供側(cè)向支撐，而僅僅是彈性支座。根據(jù)理論分析，隅撐支撐的梁的計算長度不小于2倍隅撐間距，梁下翼緣面積越大，則隅撐的支撐作用相對越弱，計算長度就越大。”由此看出，規(guī)范希望設(shè)計人員對屋面鋼梁的平面外長度的計算持謹(jǐn)慎態(tài)度，不可盲目減小，一定要有依據(jù)。綜上所述，筆者認(rèn)為以剛性系桿及遠(yuǎn)端的水平支撐形成的體系做為定義屋面鋼梁的平面外計算長度的依據(jù)是較為合適的。

3 門式剛架屋面雪荷載的確定

根據(jù)《門剛規(guī)范》4.3.1條，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk=μrS0，其中μr為屋面積雪分布系數(shù)，可按《門剛規(guī)范》表4.3.2采用；S0為基本雪壓，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）（以下簡稱《荷載規(guī)范》）規(guī)定的100年重現(xiàn)期的雪壓采用。此公式與《荷載規(guī)范》7.1.1條中一致，對于門式剛架屋面基本雪壓按100年重現(xiàn)期采用也與《荷載規(guī)范》7.1.2中“對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓”所對應(yīng)。

《門剛規(guī)范》4.5.1條中規(guī)定，“屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中的較大值；積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮”，實際設(shè)計中有設(shè)計人員僅簡單對比屋面活荷載與雪荷載的數(shù)值大小，取兩者之間較大數(shù)值作為活荷載的取值來進(jìn)行設(shè)計，這是不對的。《門剛規(guī)范》中“應(yīng)取兩者中的較大值”實際應(yīng)該理解為取活荷載和雪荷載兩種荷載組合效應(yīng)中最不利的一種情況。因為首先，雪荷載還要考慮不利布置、漂移及堆積荷載等情況，可能會出現(xiàn)雖然雪荷載數(shù)值上小于活荷載，但實際產(chǎn)生的效應(yīng)比活荷載更不利的情況。其次，活荷載會和恒載、風(fēng)載組合，其最終產(chǎn)生的效應(yīng)也不一定是最不利的。所以實際設(shè)計中應(yīng)該把相關(guān)互斥工況都考慮進(jìn)去，取最不利的效應(yīng)。

近幾年雪災(zāi)調(diào)查表明，雪荷載的堆積是造成門式剛架屋面破壞的主要原因，故《門剛規(guī)范》相較上一版《門剛規(guī)程》，在雪荷載的計算部分增加了門式剛架屋面應(yīng)考慮雪堆積和漂移的情況，具體在《門剛規(guī)范》4.3.3條有相關(guān)要求。對于屋面雪荷載的堆積和漂移，在實際設(shè)計過程中有兩種情況容易忽視或算錯：①門式剛架在縱向端部有更高的貼建建筑，例如是兩種結(jié)構(gòu)形式需要設(shè)置抗震縫等，此時應(yīng)考慮縱向方向的漂移和堆積雪荷載；②門式剛架有突出屋面的天窗架，此時天窗架的四周都可能會產(chǎn)生漂移、堆積雪荷載。

4 檁條設(shè)計

檁條的設(shè)計常常容易造成輕視，一些設(shè)計人員在實際設(shè)計過程中僅是簡單用小軟件計算一下，甚至沒有仔細(xì)核對計算書。檁條設(shè)計中涉及的知識點較多，一些參數(shù)、荷載及構(gòu)造的錯取，都會使得構(gòu)件截面選取的結(jié)果相差很大，且檁條為屋面板的直接承重構(gòu)件，故應(yīng)引起重視。

檁條宜采用實腹式構(gòu)件，也可采用桁架式構(gòu)件；跨度大于9m的簡支檁條宜采用桁架式構(gòu)件。實腹式檁條宜采用直卷邊槽形和斜卷邊Z形冷彎薄壁型鋼，斜卷邊角度宜為60°，也可采用直卷邊Z形冷彎薄壁型鋼或高頻焊接H型鋼。實腹式檁條可設(shè)計成單跨簡支構(gòu)件也可設(shè)計成連續(xù)構(gòu)件，連續(xù)構(gòu)件可采用嵌套搭接方式組成，連續(xù)檁條的搭接長度2a不宜小于10%的檁條跨度。H型檁條承載能力相對較高，但C型與Z型檁條在加工、安裝及運輸便攜性上更具優(yōu)勢。當(dāng)屋面有吊掛荷載時，吊掛在屋面上的普通集中荷載宜通過螺栓或自攻釘直接作用在檁條的腹板上，也可在檁條之間加設(shè)冷彎薄壁型鋼作為扁擔(dān)支承吊掛荷載，冷彎薄壁型鋼扁擔(dān)與檁條間的連接宜采用螺栓或自攻釘連接。對于屋面板是否能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)，對檁條截面選取有一定影響，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計中一定要與建筑圖中的板材形式核實無誤，避免造成設(shè)計安全隱患。根據(jù)《門剛規(guī)范》第11.1.6條，當(dāng)采用直立縫鎖邊連接或扣合式連接時，屋面板不應(yīng)作為檁條的側(cè)向支撐；當(dāng)屋面板采用螺釘連接時，屋面板可作為檁條的側(cè)向支撐。檁條計算雪荷載時，應(yīng)考慮積雪不均勻分布的最不利情況。檁條計算風(fēng)荷載時，屋面坡度形式、建筑形式、檁條所處的分區(qū)（中間區(qū)、邊區(qū)、角部）等都應(yīng)準(zhǔn)確考慮。

5 結(jié)語

門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計看似簡單，實則其涉及的知識面較多，往往這種輕視造成設(shè)計中埋下或大或小的安全隱患。筆者在審核圖中的過程中甚至發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)體系的理解都不是很清晰，比如不理解到底什么是“剛架”；“橫向”、“縱向”的概念；門式剛架的橫向或縱向甚至有多余自由度等等，這些都需要設(shè)計人員有扎實的基礎(chǔ)知識。

實際工程設(shè)計中，由于甲方的要求或者是工藝、建筑等專業(yè)的要求，門式剛架結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)有毗鄰剛架、有夾層、有天窗屋架、屋面有較大吊掛荷載、縱向抽住等等情況，需要設(shè)計人員對規(guī)范有全面的理解，方能設(shè)計出安全、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)圖紙。