輕型門式剛架結構設計

沈 玉 光

(中國輕工業武漢設計工程有限責任公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

單層門式剛架結構是指以輕型焊接H型鋼(等截面或變截面)、熱軋H型鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼(槽鋼、卷邊槽形、Z形等)做檁條、墻梁；以壓型金屬板(壓型鋼板、壓型鋁板)做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐的一種輕型房屋結構體系。門式剛架結構具有質量輕、工業化程度高，施工周期短、綜合經濟效益高、柱網布置比較靈活等優點，較多被采用[1]。

1 本工程的設計條件

1.1 建筑條件

本工程結構形式為輕型門式剛架結構，建筑面積3 321.02 m2，建筑高度11.400 m(女兒墻頂部至室外地面高度)，輕鋼屋面排水坡度為5%，墻體1.000 m以下為煤矸石多孔磚，以上為100 mm厚玻璃棉夾心組合式彩板墻體,燃燒性能A級，屋面采用雙層玻璃棉夾心組合壓型鋼板。在④軸～⑦軸之間有5 t的桁車。

1.2 設計參數及荷載

本工程位于湖北省鄂州市，主體結構設計使用年限為50年；結構的安全等級為二級；建筑抗震設防類別：丙類；設防烈度 6度；基本地震加速度0.05g；設計地震分組第Ⅰ組；場地土類別：Ⅲ類。基本風壓:0.35(×1.1) kN/m2；地面粗糙度類別：B類；基本雪壓：0.6 kN/m2(按100年重現期)。屋面板、檁條的施工或檢修集中荷載(人和小工具的自重)不得超過1.0 kN。屋面恒荷載0.3 kN/m2，屋面活荷載計算鋼梁取0.3 kN/m2，計算檁條時取0.5 kN/m2。

2 結構體系布置

根據GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范規定，門剛縱向伸縮縫間距為300 m[2]。支撐設置：端部支撐宜在溫度區段端部第一或者第二開間設置柱間豎向支撐，同時在對應的位置設置屋面水平支撐。柱間支撐應設置在側墻柱列。當有吊車時，每個吊車跨兩側柱列均應設置吊車柱間支撐。柱間支撐間距取30 m～45 m。當房屋寬度大于60 m時內柱列宜適當設置支撐。有不小于5 t的吊車房屋柱間支撐宜采用角鋼。本工程在溫度區段端部第一跨布置屋面水平支撐和柱間豎向支撐，支撐間距為39.100 m。在屋脊處及邊柱柱列頂部布置剛性系桿。

柱腳節點設計:有吊車的內柱列柱腳做剛接柱腳，頂部與梁剛接。外柱列做鉸接柱腳，頂部與梁剛接。

表1 構件明細表

3 PKPM-STS系列二維模塊建模計算

建模過程中幾個容易出錯參數的選取。

根據GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范7.1.6條及條文說明規定，實腹式剛架斜梁的平面外計算長度應取側向支撐點間的距離，且不小于2倍的隅撐間距。本工程計算長度取最不利情況為屋面系桿間距8 m。

屋面采用雙板加棉，恒荷載取0.3 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2，雪荷載取0.6 kN/m2(按100年重現期)。荷載組合時屋面活荷載與雪荷載不同時考慮。根據《門規》[2]和《荷規》[3]，雪荷載應考慮不均勻分布，有女兒墻的還應考慮積雪效應系數。本工程積雪效應系數Urm[3]=1.5h/s0=1.5×2.4/0.6=6>2，取2，有女兒墻的積雪范圍a=2h=4.8 m。在PKPM中輸入5組互斥荷載，分別為活荷載，雪荷載均勻分布，不均勻分布1，不均勻分布2和考慮積雪效應分布。第五種互斥荷載為考慮有女兒墻的積雪效應，取值為雪荷載均勻分布和分別距離兩邊柱4.8 m范圍內的1倍的雪荷載的疊加。

約束布置：中榀，邊柱底部鉸接，頂部剛接，兩個中柱兩端均剛接。山墻榀，抗風柱底部剛接，頂部鉸接，其他柱端部連接形式同中榀。

4 計算結果分析

4.1 主鋼架分別選用Q235B鋼材和Q345B鋼材計算結果對比分析

主剛架經PKPM試算調整后最終計算結果如下：

中榀主鋼架計算結果：

根據圖4和圖5可知，鋼柱和鋼梁的強度、平面內和平面外應力比均不超過0.95，多數構件的應力比在0.8～0.9之間。計算時使各個構件應力比比較均勻且在0.8～0.9之間，用材會比較經濟合理。

由PKPM計算可知，中榀主剛架采用Q235B和Q345B鋼材，質量分別為8.736 t和9.659 t。二者相差約1 t鋼材，而兩種鋼材價格相差無幾，所以采用Q345B鋼材比較經濟。本工程采用Q345B鋼材。

邊榀山墻處主鋼架計算結果：

邊榀山墻處主鋼架，PKPM建模中，抗風柱設置為僅承擔水平風荷載，不承擔豎向荷載。根據圖6，圖7可知，大多數構件應力比在0.6～0.9之間。

由PKPM計算可知，邊榀山墻處主剛架采用Q235B和Q345B鋼材，質量分別為12.674 t和13.043 t。二者相差約0.4 t鋼材，而兩種鋼材價格相差無幾，所以采用Q345B鋼材比較經濟。本工程采用Q345B鋼材。

為兼顧安全富裕度和用材經濟，根據工程經驗，門式剛架鋼構件應力比控制不應超過0.9，允許極少數構件的應力比在0.9～0.95之間。所有構件應力比應不超過0.95。

4.2 檁條及墻梁設計分析

本工程采用STS工具箱進行檁條計算，屋面檁條選用斜卷邊Z型檁條。當屋面檁條采用簡支檁條時，端跨和中跨檁條分別為XZ250×75×20×2.5，XZ250×75×20×2.2；當屋面檁條采用連續檁條時，端跨和中跨檁條分別為XZ220×75×20×2.5，XZ220×75×20×2.2。通過對比發現此等規模的房屋采用連續檁條比簡支檁條能降低一個規格，節省鋼材。所以本工程屋面檁條采用連續檁條，檁條的搭接長度不宜小于10%檁條跨度，對于邊跨搭接長度不宜小于15%檁條跨度。本工程墻梁選用C型簡支墻梁，在門窗洞口處的墻梁及門窗柱采用口對口雙拼C型墻梁。

5 結語

本文以實際工程為例，詳細闡述了門式剛架輕型房屋結構設計的一般過程，通過門式剛架結構設計得出以下幾點結論。

1)門式剛架輕型房屋屬于對雪荷載敏感的結構，設計時基本雪壓應取100年重現期的雪壓。對于有女兒墻的門式剛架，應考慮積雪效應系數，屋面雪荷載應取4種工況，全跨積雪的均勻分布、不均勻分布、半跨積雪的均勻分布和積雪效應分布。

2)門式剛架柱腳宜按鉸接柱腳設計，當用于工業廠房且有5 t以上的橋式吊車時，可將柱腳設計成剛接。

3)當屋面跨度較大時，采用實腹式變截面梁比較經濟，單跨內屋面變截面梁變截面的分段長度比例宜為1∶2∶1。鋼柱頂部與鋼梁剛接，彎矩圖反彎點的位置大約在梁1/4和3/4長度處。

4)門式鋼架結構，在滿足柱頂位移和鋼梁變形的規范要求下，根據規范要求和工程經驗，通過控制應力比來確定鋼構件截面尺寸，宜使盡量多的鋼柱和鋼梁的應力比控制在0.8～0.9之間，允許極個別鋼梁應力比超0.9，禁止任何構件應力比超過0.95。這樣能在保證結構安全的前提下，做到用材經濟。

5)Q235B和Q345B鋼材的價格相差不大，跨度大的門剛結構主剛架采用Q345B鋼能夠比較節省鋼材。屋面檁條采用Q345B材質連續檁條比較經濟合理。