淺談門式剛架結構設計中的一些問題

王雷

（南京工大膜工程設計研究院有限公司 江蘇南京 210009）

0 引言

門式剛架結構具有自重輕、結構簡單、受力明確、施工周期短等優點，常見的門式剛架結構在橫向是一榀剛架，縱向則是由剛性系桿及支撐系統形成的穩定體系。門式剛架設計看似簡單，但小知識點較多，且結構體系需要配合很多構造措施來，需要設計師具備扎實的專業基礎，故筆者結合自己的工程經驗對一些常見問題進行闡述。

1 門式剛架規范的適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB51022-2015），以下簡稱《門剛規范》的適用范圍是一個在實際設計過程中容易被忽視的問題，一些設計人員常常看到大跨度輕型屋面的鋼結構，就默認為是采用門式剛架結構，這是很不嚴謹的。《門剛規范》第1.0.2條中對規范適用范圍做了明確規定，就筆者個人的經驗，房屋高寬比及吊車起重量超出適用范圍的情況時有出現，應結合《鋼結構設計標準》及其他相關規范進行設計，支撐布置等一些構造要求可參照《門剛規范》。

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系到鋼梁構件截面的選取，若計算長度取值大，構件截面選取較大，造成浪費，若平面外計算長度取值小，構件截面選取較小，安全儲備不夠，有安全隱患，所以準確把握鋼梁平面外的計算長度顯得尤為重要。

根據《門剛規范》第7.1.6.2條，“實腹式剛架斜梁的平面外計算長度，應取側向支承點的間距；當斜梁兩翼緣側向支承點間的距離不等時，應取最大受壓翼緣側向支承點的距離。”其中“側向支承點間距”很多設計人員都默認取為2倍的檁條間距，這是不嚴謹的。首先，檁條鉸接于鋼梁的上翼緣，并不能直接作為鋼梁平面外的側向支承點，鋼梁的平面外計算長度與檁條間距并沒有直接的倍數關系；其次，當檁條與鋼梁之間設置了隅撐，且隅撐的設置滿足了《門剛規范》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”的鋼梁區段。對于如何考慮隅撐的作用，《門剛規范》第7.1.6.7條有相關計算公式，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的選項，有設計人員因此而認為隅撐可以間隔布置，這是不對的。本條特別強調隅撐不能作為梁的固定側向支撐，不能充分地給梁提供側向支撐，而僅僅是彈性支座。根據理論分析，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，規范希望設計人員對屋面鋼梁的平面外長度的計算持謹慎態度，不可盲目減小，一定要有依據。綜上所述，筆者認為以剛性系桿及遠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是較為合適的。

3 門式剛架屋面雪荷載的確定

根據《門剛規范》4.3.1條，門式剛架輕型房屋鋼結構屋面水平投影面上的雪荷載標準值Sk=μrS0，其中μr為屋面積雪分布系數，可按《門剛規范》表4.3.2采用；S0為基本雪壓，按現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009）（以下簡稱《荷載規范》）規定的100年重現期的雪壓采用。此公式與《荷載規范》7.1.1條中一致，對于門式剛架屋面基本雪壓按100年重現期采用也與《荷載規范》7.1.2中“對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓”所對應。

《門剛規范》4.5.1條中規定，“屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中的較大值；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”，實際設計中有設計人員僅簡單對比屋面活荷載與雪荷載的數值大小，取兩者之間較大數值作為活荷載的取值來進行設計，這是不對的。《門剛規范》中“應取兩者中的較大值”實際應該理解為取活荷載和雪荷載兩種荷載組合效應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，可能會出現雖然雪荷載數值上小于活荷載，但實際產生的效應比活荷載更不利的情況。其次，活荷載會和恒載、風載組合，其最終產生的效應也不一定是最不利的。所以實際設計中應該把相關互斥工況都考慮進去，取最不利的效應。

近幾年雪災調查表明，雪荷載的堆積是造成門式剛架屋面破壞的主要原因，故《門剛規范》相較上一版《門剛規程》，在雪荷載的計算部分增加了門式剛架屋面應考慮雪堆積和漂移的情況，具體在《門剛規范》4.3.3條有相關要求。對于屋面雪荷載的堆積和漂移，在實際設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，例如是兩種結構形式需要設置抗震縫等，此時應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生漂移、堆積雪荷載。

4 檁條設計

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

檁條宜采用實腹式構件，也可采用桁架式構件；跨度大于9m的簡支檁條宜采用桁架式構件。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。實腹式檁條可設計成單跨簡支構件也可設計成連續構件，連續構件可采用嵌套搭接方式組成，連續檁條的搭接長度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勢。當屋面有吊掛荷載時，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冷彎薄壁型鋼作為扁擔支承吊掛荷載，冷彎薄壁型鋼扁擔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向失穩，對檁條截面選取有一定影響，故在結構設計中一定要與建筑圖中的板材形式核實無誤，避免造成設計安全隱患。根據《門剛規范》第11.1.6條，當采用直立縫鎖邊連接或扣合式連接時，屋面板不應作為檁條的側向支撐；當屋面板采用螺釘連接時，屋面板可作為檁條的側向支撐。檁條計算雪荷載時，應考慮積雪不均勻分布的最不利情況。檁條計算風荷載時，屋面坡度形式、建筑形式、檁條所處的分區（中間區、邊區、角部）等都應準確考慮。

5 結語

門式剛架結構設計看似簡單，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現一些設計人員對結構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，這些都需要設計人員有扎實的基礎知識。

實際工程設計中，由于甲方的要求或者是工藝、建筑等專業的要求，門式剛架結構會出現有毗鄰剛架、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，需要設計人員對規范有全面的理解，方能設計出安全、經濟的結構圖紙。