淺析帶毗屋門式剛架輕型房屋鋼結構設計

賈 雪 亮

(山西潤民環保工程設備有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

門式剛架由于結構體型簡單、現場施工組裝方便、建設周期短，是單層工業廠房中常用的一種結構形式。在工業生產廠房中，某些設備體型差別較大，當遇到不同設備高度差別較大時，若統一按高度較大的設備確定廠房高度，則存在一定程度上的空間浪費。若按不同高度設備合理優化布置，通過采用帶毗屋門式剛架的結構形式，主要設備和輔助設備分別布置于廠房主剛架和毗屋剛架區域，則總體上可達到節省空間，降低造價的效果。

1 結構布置

對于房屋高度不大于18 m，高寬比小于1，無吊車或吊車起重量較小的門式剛架單層鋼結構房屋，GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范(以下簡稱《門規》)第5.1.2條中給出了常用門式剛架形式的示例，其中《門規》圖5.1.2(e)(如圖1所示)為帶毗屋剛架示例圖，圖1中主剛架和毗屋剛架均為單坡。實際設計中，當遇主剛架跨度較大時，為避免剛架兩端梁柱受力偏差過大，主剛架宜按雙坡設計，示例見圖2。

縱向柱間支撐布置時按《門規》8.2.5條規定執行，為保證水平作用力更直接有效傳遞，毗屋剛架可設單層柱間支撐，在檐口處設柱間水平剛性系桿；主剛架可設為雙層柱間支撐，水平剛性系桿分別設置在毗屋檐口標高處和主剛架檐口標高處，示例見圖3。

2 荷載取值

2.1 永久荷載

門式剛架承重結構采用等截面或變截面實腹剛架，圍護系統多采用輕型鋼屋面和輕型外墻加檁條、墻梁體系。一般綜合考慮板材及檁條自重后荷載標準值取值約為0.20 kN/m2～0.30 kN/m2，設計時應根據具體使用材料類別、型號按實際計算。

2.2 屋面活荷載

《門規》4.1.3條規定：當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面按水平投影面積計算的豎向活荷載的標準值應取0.5 kN/m2，對承受荷載水平投影面積大于60 m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可不小于0.3 kN/m2。為避免屋面活荷載在60 m2這個面積分界線上下出現突變，在實際設計時，建議可在60 m2～100 m2受力面積區間設置荷載過渡區段，屋面活荷載取值按60 m2～100 m2受力面積分別對應荷載0.5 kN/m2～0.3 kN/m2進行插值計算。另外，按承受荷載水平投影面積確定屋面活荷載取值時，主剛架不應考慮毗屋剛架所“貢獻”的面積。在進行屋面活荷載取值時建議分別按主剛架和毗屋剛架各自承受的荷載水平投影面積考慮。

2.3 風荷載

《門規》4.2節中列出了風荷載的計算公式及方法，但沒有給出帶毗屋門式剛架風荷載系數的取值，從《門規》4.2.2條規定的“房屋高度不大于18 m，房屋高寬比小于1”適用范圍條件以及該條條文說明的理解上來看，當主剛架高度及高寬比在此范圍時，主剛架和毗屋剛架風荷載系數可分別參照《門規》4.2節雙坡屋面和單坡屋面所對應的系數來取值。在計算時，尚應注意區別端區和中間區風荷載系數取值，以及區別主剛架和檁條、墻梁所承受的風荷載計算時《門規》4.2.1式中β值(主剛架1.1，檁條、墻梁1.5)。

2.4 雪荷載

門式剛架輕型房屋鋼結構屋面較輕，對雪荷載敏感，在計算時雪荷載經常起控制作用，極端雪荷載情況下容易引起結構整體破壞。《門規》4.3.1條規定基本雪壓按現行國家標準GB 50009建筑結構荷載規范規定的100年重現期的雪壓采用。另外，對于帶毗屋門式剛架，當高低屋面的高差hr與按屋面基本雪壓確定的雪荷載高度hb滿足《門規》4.3.3條(hr-hb)/hb>0.2的規定時，則需考慮雪堆積和漂移荷載。另外，還應按《門規》4.3.5條的規定在計算屋面板、檁條、鋼架斜梁以及鋼架柱時采用相應的積雪分布情況。

2.5 地震作用

帶毗屋門式剛架由于在橫向屬于質量和剛度分布不對稱的結構，所以除應按房屋兩個主軸方向分別計算地震作用外，還應整體建立模型計算雙向水平地震作用并計入扭轉的影響。

3 結構計算及結果分析

3.1 荷載組合及分項系數

在進行剛架計算時，應注意按《門規》4.5.1條第1款規定將不同時考慮的荷載在建模計算時設定為互斥荷載，之后分別計算其效應后取不利值；同時將需要同時考慮的荷載在建模計算時設定為相容荷載，計算疊加荷載效應。計算時，應注意檢查荷載組合是否合理，避免荷載組合不正確造成計算偏差。

《門規》4.5.2～4.5.5對持久設計狀況和短暫設計狀況下的基本組合效應設計作出了規定，該條是根據GB 50009工程結構可靠性設計統一標準(以下簡稱《可靠性標準》)制定。2018年版《可靠性標準》8.2.9條對荷載基本組合的分項系數進行了更新。在帶毗屋門式剛架結構計算時，荷載基本組合分項系數應按新版《可靠性標準》來取值。

3.2 剛架計算

根據《門規》6.1節的相關規定，帶毗屋輕型門式剛架應采用彈性分析方法計算，可按平面結構分析計算內力。當采用二階彈性分析時，除按實際工況布置荷載外，還應施加假想水平荷載。對于帶毗屋門式剛架則應在主剛架、毗屋剛架檐口位置和毗屋剛架梁和主剛架柱連接處施加該水平荷載，且應注意該假想荷載方向應與風荷載和地震作用的方向一致。

當按平面結構計算分析橫向剛架時，應特別注意按實際情況考慮梁、柱平面外支撐或者約束情況，相應構件平面外計算長度按實際取用。尤其是采用二維計算軟件計算時，應注意對平面外相關條件及假定的判斷設置。

在剛架計算時，尚應按中間剛架和端部剛架分別計算。在計算端部剛架時，應根據連接情況考慮抗風柱的影響。一般情況下，抗風柱作為單獨構件主要承受端墻的風荷載及相關范圍內的圍護結構自重，不考慮承擔剛架荷載。端部抗風柱頂與剛架連接處多采用長圓孔螺栓或者“Z”形彈簧片形式，該連接方式的端部剛架僅提供抗風柱水平方向約束，而在豎向不提供或只提供很小的約束，避免剛架和抗風柱豎向荷載及變形偏差過大引起構件破壞。當屋面材料較輕且能夠適應較大變形時，抗風柱頂部與剛架可采用固定連接，此時在計算剛架時可考慮抗風柱的支承作用，在計算抗風柱時應考慮剛架傳下來的荷載。

3.3 地震作用計算

在計算地震作用時，由于帶毗屋門式剛架的質量和剛度沿高度分布不均勻，所以在計算剛架橫向地震作用時，可按振型分解反應譜法來進行計算。當房屋縱向沒有高低跨時，縱向柱列的地震作用計算一般可采用基底剪力法，將按高度和質量大小分配的地震力傳遞到縱向支撐或縱向框架。

帶毗屋門式剛架由于在橫向屬于質量和剛度分布不對稱的結構，所以除應按房屋兩個主軸方向分別計算地震作用外，還應整體建立模型計算雙向水平地震作用并計入扭轉的影響。

3.4 結果分析和構件設計

《門規》中對門式剛架各構件的計算方法和構造要求做了詳細的規定，目前結構工程師多采用計算軟件進行分析計算，但參數和結果需要仔細復核，在計算時應特別注意對軟件計算條件的設定和計算結果的判定。對于帶毗屋門式剛架的主剛架柱平面外穩定性計算，在計算受壓平面外穩定系數φy時，應按縱向柱間支撐點間的距離計算，在計算受彎穩定系數φb時，應按柱受壓翼緣支撐之間的間距來計算；在計算屋面檁條、墻梁時，除按正常計算風壓力工況時的構件強度、穩定計算外，尚應特別注意考慮風吸力工況下，屋面檁條、墻梁的強度、穩定性能否滿足要求。

在檁條或墻梁設計時，若構件強度或者穩定性不足，應分析問題源頭，避免一味加大截面來“迎合”結果。如風吸力工況下檁條或墻梁穩定性計算不滿足要求時，可采用雙層拉條解決受壓翼緣的支撐問題。

4 構造要求和變形規定

4.1 構造要求

構造要求是從概念設計角度出發，根據以往大量工程實踐經驗及試驗數據總結而來的限值或者規定，構造要求的復核也是貫穿結構設計始末的一項重要工作。在初選截面時要考慮，在構件應力分析截面設計時同樣也要考慮。在設計計算過程中當應力比不滿足要求而需要加大構件截面或者應力比較小需要優化構件截面時，應同時注意綜合考慮構造要求的影響因素。

由于門式剛架存在構件壁厚小、截面尺寸相對較大的特點，在設計時，應注意剛架各構件應滿足《門規》中3.4節相應所規定的構造要求。主剛架構件腹板厚度不宜小于4 mm，用于檁條、墻梁的冷彎薄壁型鋼壁厚不宜小于1.5 mm。考慮到構件的局部穩定性，《門規》3.4.1條第2款規定了剛架構件受壓板件中受壓翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比的限值，還規定了梁、柱構件腹板的計算高度hw與厚度tw之比的限值。

另外，為保證構件整體構造上的穩定性，受壓、受拉構件的長細比限值也是重要的控制指標。當柱或者支撐長細比不滿足《門規》相關要求時，應結合應力比的大小確定是增加構件截面尺寸還是設置支撐。

大多情況下，輕型門式剛架房屋鋼結構為非地震作用組合控制結構設計，但是也可能存在地震作用組合的效應控制結構設計的情況。在復核計算效應和構造要求時，一定要注意加以區分。當遇到地震作用組合的效應控制結構設計時，應特別注意按《門規》3.4.3條中對相關構造要求加強的規定。地震工況和非地震工況下門式剛架主要構件相關構造區別要求可見表1。

表1 非地震、地震工況門剛構件限值

4.2 變形規定

在門式剛架強度、穩定受力計算滿足要求的前提下，尚應按《門規》3.3.1條規定的吊車情況和其他情況復核剛架柱頂位移是否超過限值，并按《門規》3.3.2條規定核算門式剛架斜梁、檁條、墻梁等受彎構件的撓度是否超過限值。否則，應增大構件的剛度以滿足變形要求。

5 結語

本文在對《門規》等現行國標規范的理解基礎上結合工程設計經驗，對帶毗屋門式剛架鋼結構房屋設計進行了闡述及總結。在實際設計中，可為同類型鋼結構房屋在結構布置、荷載取值、構件設計等方面主要參數取值和重點考慮事項提供參考及建議，以達到結構安全可靠、造價經濟合理的目的。