門式剛架圍護結構設計注意事項

李鵬銳

摘要：門式剛架因其經濟優、建造快、性能好等特點，是目前工業廠房的主要結構形式，廠房圍護結構是其重要組成部分，本文通過對圍護結構設計中荷載選用、拉條布置、設計重要參數等探討，總結和梳理了在設計過程中容易混淆和遺漏的問題，供鋼結構設計人員參考，防止設計中的安全隱患或用材浪費。

Abstract： Due to the characteristics of excellent economy， fast construction and good performance， the portal frame is the main structural form of the industrial plant at present. The enclosure structure of the plant is an important part of it. This article summarizes and sorts out the problems that are easily confused and omitted in the design process by discussing the load selection， brace layout， and important design parameters in the design of the envelope structure for the reference of steel structure designers， to prevent hidden safety hazards or waste of materials in the design.

關鍵詞：門式剛架;圍護結構;檁條;拉條

Key words： portal frame;enclosure structure;purlin;brace

中圖分類號：TU328 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0135-02

0 ?引言

門式剛架輕型房屋（簡稱門式剛架）圍護結構通常由壓型鋼板制成的檁條、外墻板和屋面板等所組成，檁條通常采用簡支C、Z形卷邊冷彎薄壁型鋼材，用鋼量少，對荷載非常敏感。如果在設計中不清楚檁條的受力特點和構造規定，過度依賴軟件進行設計，對一些基本假設概念模糊，荷載統計及荷載組合不準確，容易導致設計存在一定安全隱患或鋼材用量過大。

1 ?荷載

檁條承受的荷載有：恒載，活荷載，雪荷載，積灰荷載，風荷載等。其中恒載通常不超過0.3kN/m2，活載為0.5kN/m2，積灰荷載按實際情況計算，施工荷載為1kN且作用于檁條中部。檁條設計中風荷載與雪荷載多為控制荷載，需著重注意。風、雪荷載經常是控制荷載，極端情況下容易造成結構整體破壞，后果特別嚴重，所以應對風、雪荷載適當提高。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB51022-2015）中規定房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，可按照門式剛架規定的風荷載取值，超過門式剛架規定范圍則需按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB50009取值。同時《門剛規范》條文說明中明確了“房屋高度超過18m的類似建筑，構件的強度和穩定性可參照本規范”，所以在進行門式剛架設計時，除去風荷載取值，其他要求仍然可以按照《門剛規范》來考慮和控制。

《門剛規范》要求圍護結構計算時風荷載應乘以1.5系數，與之前的《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102-98）區別較大，由于輕鋼結構為風荷載敏感結構，將基本風壓適當提高，而且荷載規范中的陣風系數相對應。

由于輕鋼結構雪荷載敏感，雪荷載計算時應按現行國家標準《建筑結構荷載規范》GB 50009規定的100年重現期的雪壓取值，而檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用，最不利情況下，雪荷載通常大于活荷載，而雪荷載與活荷載互斥，荷載組合時可直接取雪荷載。女兒墻及高低跨處容易造成雪堆積，局部堆積雪荷載可能是均布載的3倍以上，設計中如若忽視會造成安全隱患，積雪處檁條可能會失穩破壞甚至牽連主結構造成房屋整體破壞。（圖1）

通過實際計算比較，由于門式剛架輕型房屋自重很輕（通常40～60kg/m2），地震影響很小，一般情況下均可忽略。

一般情況下檁條強度及穩定驗算采用下面兩種工況組合：①（1.3×永久荷載+1.5×max{屋面均布活荷載，雪荷載}+1.5×0.6風載（壓力）;②1.0×永久荷載+1.5×風荷載（吸力）。檁條設計一般由強度或穩定控制，撓度要求一般均可滿足。

因屋面、墻面邊緣帶風荷載、雪荷載系數局部偏大，為提高屋面承載力及穩定性能，可相對減小屋面、墻面邊緣帶的檁條布置間距，盡量減少屋面板、墻面板的接縫，不宜采用暗扣式的連接，而應采用自攻螺釘以保證檁條整體及側向穩定性。這樣可以加強屋面板和屋面檁條、墻面板和墻面檁條的連接強度，從而增加結構的整體剛度，提高圍護結構整體穩定性能。由于屋面角區邊區和中間區風荷載系數不同，角區風荷載系數較大，結構計算時應分區計算。

圍護結構材質選用時，穩定控制時選用235鋼，應力控制時選用355鋼，一般拉條選235鋼。

2 ?拉條布置

門式剛架通常采用冷彎薄壁C、Z型鋼作為檁條，此類檁條重心較高、弱軸抗彎能力較差，為了減少檁條在安裝及使用過程中的側向變形及扭轉，保證檁條整體穩定，一般設置拉條、斜拉條以及撐桿體系確保整個結構體系穩定性，撐桿必須與斜拉條同時設置，才能形成一個幾何不變的傳力體系。如果沒有合理設置拉條、斜拉條以及撐桿體系，或者拉條施工中沒有拉緊，這會使門式剛架的側向剛度、穩定性與承載力無法得到保障，存在一定工程隱患。

設置拉條是保證檁條穩定的重要措施，當圍護板不能有效約束擦條的側向位移和扭轉時，應設詈拉條為檁條提供側向支撐，以提高檁條的穩定性。重力荷載和風揭力荷載為兩個相反方向的作用，檁條的上下翼緣都可能會受壓存在失穩可能，所以屋面位置一般需要考慮設置上、下兩層拉條體系。如果屋面板由自攻釘穿透直接固定于檁條，此時屋面板直接約束檁條的側移，可以替代上層拉條體系，理論上可不設置上層拉條。但在施工安裝屋面板時，尚無蒙皮效應，檁條容易發生傾覆，故仍需設置上層拉條。如果在檁條下翼緣連接有內襯板，并采用自攻釘直接固定方式，內襯板足以約束下冀緣的側移，此時可不必設置下層拉條體系，但這種情況工程較少見。尤其雪荷載較大時檁條上下翼緣更是應設置雙拉條以保證整體穩定性。屋面檁條是門式剛架穩定性第一道防線且受荷敏感，筆者建議屋面處檁條上下翼緣均設置拉條。

工程中也可用冷彎卷邊形在端部切除部分冀緣，再彎折腹板作為剛性系桿。施工時用螺栓或自攻釘連接在相鄰檁條的腹板上構成穩定結構休系，替代雙層拉條功能，使相鄰檁條相互約束不發生扭轉。但這種做法對加工及安裝精度有一定要求。

輕型鋼結構墻面板一般自承重，墻檁只承受自身重量和風荷載，只有門窗以上局部區域的墻面板自重荷載由墻檁承受，所以窗頂處檁條一般設置為雙扣檁條。因窗戶玻璃較重，一般可在窗戶底設斜拉條及撐桿，局部組成桁架體系將荷載傳至相鄰剛架柱。墻面板用自攻螺釘與檁條牢固連接，認為墻面板能有效約束檁條外翼緣，阻止檁條側向失穩和扭轉，可不對檁條進行整體穩定計算。墻檁承受的荷載與其布置有關。墻面板自承重且可約束墻檁外翼緣，所以墻檁外翼緣可不設置拉條;在風吸力作用下，墻檁外翼緣受壓易失穩且一般無內墻板約束，拉條可僅設置于檁條內側1/3檁高。

如果屋面板采用壓型鋼板，且采用自攻螺釘與檁條牢固連接，則認為屋面板能有效約束檁條受壓翼緣，阻止檁條側向失穩和扭轉，可不對檁條進行整體穩定計算。如果屋面板采用鎖扣型式與檁條連接，則屋面板不能約束檁條翼緣，要對檁條進行整體穩定計算。設計時截面尺寸計算所采用的限定條件應與屋面板施工工藝相一致。

3 ?設計重要參數

屋面板能否阻止檁條側向失穩：屋面板壓型鋼板采用自攻螺釘與檁條牢固連接，可認為屋面板能否阻止檁條側向失穩，此種方法較常用，如若施工時采用直立縫鎖邊連接或扣合式連接，而施工圖紙中未有特別注明必須采用自攻螺釘連接，此時屋面板不能阻止檁條側向失穩，檁條上翼緣受壓會失穩，工程將會存在重大安全隱患。

構造保證下翼緣吸力作用穩定性：只有屋面采用雙層壓型鋼板，且下層鋼板采用自攻螺釘與檁條牢固連接時才能滿足此項構造要求。下翼緣設置的拉條，僅3m左右才一道，難以與滿鋪的鋼板剛度要求相當，下翼緣設置的拉條無法達到此項構造要求。所以，構造保證下翼緣吸力作用穩定性此參數要慎選。

墻面參數選用可參照屋面上述兩項參數的論述。

因檁條安裝需打孔，凈截面減少，在強度計算時應取凈截面系數0.9～0.95，此系數軟件默認為1，需在設計中稍加注意。

4 ?結語

本文從輕型門式剛架的荷載選用、拉條布置和設計重要參數三方面總結和梳理了設計過程中需要注意的各種問題，對容易造成結構安全隱患的問題給出了合理的建議，可供工程設計人員參考。

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