大跨度門式剛架輕鋼廠房的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郗忠偉

【摘? 要】隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷發(fā)展，廠房工程建造技術(shù)也不斷提高，很多企業(yè)在建造廠房時(shí)使用大跨度門式剛架，因?yàn)檫@一施工結(jié)構(gòu)的造價(jià)成本較低，并且具有一定的美觀性，同時(shí)安裝技術(shù)非常簡(jiǎn)便，因此得到很多施工企業(yè)的高度重視，甚至在許多的高層建筑、倉(cāng)庫(kù)、展覽廳當(dāng)中也十分常見(jiàn)。基于此，論文主要對(duì)大跨度門式剛架輕鋼廠房的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行探討，從構(gòu)造、應(yīng)用等方面研究其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，針對(duì)一些剛架輕鋼廠房設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行全面的研究，并提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。

【Abstract】Many enterprises use large-span gabled frames when constructing workshops. Because the construction structure has low cost， certain aesthetics and simple installation technology， it has been highly valued by many construction enterprises， and is even very common in many high-rise buildings， warehouses and exhibition halls. Based on this， this paper mainly discusses the design and application of light steel workshop with large-span gabled frames， studies its design key points from the aspects of structure and application， makes a comprehensive study on some problems needing attention in the design of light steel workshop with large-span gabled frames， and puts forward appropriate suggestions.

【關(guān)鍵詞】門式剛架;廠房設(shè)計(jì);應(yīng)用;建議

【Keywords】glabled frames; workshop design; application; suggestion

【中圖分類號(hào)】TU392.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）12-0179-03

1 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)的廠房建筑，大跨度門式剛架廠房由于工作量較小，能夠?yàn)槠髽I(yè)節(jié)省很多的成本，并且綜合效益要更高，拆卸也非常方便，適合于各種企業(yè)的施工建設(shè)，工期較短。如果企業(yè)想快速建造廠房，大跨度門式剛架輕鋼廠房是一個(gè)非常好的選擇。近年來(lái)，很多的企業(yè)都開(kāi)始著手于大跨度門式剛架輕鋼廠房的設(shè)計(jì)工作，但在現(xiàn)階段的工程建設(shè)中仍然會(huì)存在一些質(zhì)量問(wèn)題，論文仔細(xì)闡述門式剛架設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)等內(nèi)容，希望能給各行企業(yè)帶來(lái)一點(diǎn)思考與啟發(fā)。

2 大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及適用范圍

近年來(lái)，工業(yè)的生產(chǎn)水平逐年提高，制造加工的條件得到有效的改善，整體工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)入新時(shí)代。建筑行業(yè)的技術(shù)含量及運(yùn)用價(jià)值都得到了跨越式的進(jìn)步，大跨度門式剛架輕鋼廠房是彩鋼板制作成型材的結(jié)構(gòu)，由于重量較輕，抗震效果好，符合我國(guó)大力發(fā)展綠色建筑的要求，受到了很多建筑師的青睞，特別是這種建筑結(jié)構(gòu)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，給企業(yè)帶來(lái)更高的安全性能和經(jīng)濟(jì)效益。目前我國(guó)各行各業(yè)都開(kāi)始加大對(duì)大跨度門式剛架輕鋼廠房的應(yīng)用，使用成熟的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，將信息化、智能化、人性化與其相結(jié)合，致使大跨度門式剛架輕鋼廠房的發(fā)展前景更為明朗。目前適用于大跨度門式剛架輕鋼廠房的規(guī)程為《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，在規(guī)程中詳細(xì)規(guī)定了剛架的跨度不能超過(guò)36m，整體房屋高度在4～9m，房屋整體的剛度結(jié)構(gòu)設(shè)備應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 大跨度門式剛架廠房設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 節(jié)省成本，合理布置結(jié)構(gòu)

在正常情況下，大跨度門式剛架廠房一般會(huì)根據(jù)實(shí)際建筑的使用情況和工藝要求來(lái)確定，通常會(huì)采用9～35m，跨度在20～30m，有著最高的性價(jià)比。剛架的用鋼量一般要根據(jù)其間距的大小而定，但吊車梁用鋼量會(huì)隨剛架間距的增大而增加，對(duì)照以往的施工經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)用無(wú)橋式吊車5～8m并與跨度相匹配，大跨度往往采用大柱距，在3～5m最為適合，如果使用10t以上的吊車或較大的懸掛荷載時(shí)柱距在6m左右。

平均的門式剛架高度在4～9m，而且橋式吊車不超過(guò)12m，屋面的坡路在1/8～21/1，屋面排水滿足生產(chǎn)要求，盡量取坡度的最小值，可以有效減少風(fēng)荷載，節(jié)省建筑材料，如果風(fēng)荷載不是很大，房屋高度不高時(shí)可以適當(dāng)?shù)販p少剛架的用鋼量，在剛架中間柱可采用兩端均為鉸接的方式。

如果廠房的建筑設(shè)計(jì)跨度不是很大，可以采用單脊雙坡的形式，在其他條件都滿足的情況下，在房脊兩側(cè)各需一根檁條，多一根房脊就需要多一根檁條，同時(shí)也要增加室內(nèi)排水溝的用料，避免出現(xiàn)刮風(fēng)下雨的情況，導(dǎo)致廠房積水積雪，增加廠房的荷載，如果負(fù)載過(guò)大會(huì)滲漏到廠房當(dāng)中，給企業(yè)造成影響，如果廠房的跨度大，可以通過(guò)位移控制設(shè)計(jì)，采用雙坡增加剛架的用鋼量。因此，從節(jié)省成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的角度來(lái)講，可以采用多脊多坡的方式。

3.2 構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

要充分發(fā)揮材料的作用，根據(jù)大跨度門式剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)省用鋼材料，一般會(huì)采用變截面的梁柱，通過(guò)改變截面的高度，必要時(shí)改變腹板厚度的方式。當(dāng)有橋式吊車時(shí)柱采用等截面構(gòu)件，屋面荷載較輕，鋼梁跨度大，工字形截面在受彎構(gòu)件中以受剪為主。門式剛架則考慮，充分利用板件屈曲后的強(qiáng)度，當(dāng)截面不滿足要求時(shí)，需要優(yōu)先加厚翼緣版，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。設(shè)計(jì)中也可以簡(jiǎn)化門式剛架的柱腳結(jié)構(gòu)，減輕基礎(chǔ)要求，進(jìn)一步壓縮建筑造價(jià)，如果有橋式吊車，并且側(cè)向剛度有嚴(yán)格要求時(shí)，柱腳則應(yīng)該設(shè)計(jì)為鋼接。

3.3 支撐結(jié)構(gòu)的布置與構(gòu)造

大跨度門式框架的支撐體系，包括剛性系桿、柱間支撐和橫向支撐。整個(gè)知識(shí)體系可以保障剛架的整體穩(wěn)定性，并且可以把縱向水平荷載傳遞到基礎(chǔ)。在設(shè)置柱間支撐時(shí)，可同時(shí)設(shè)置房蓋的橫向支撐，形成幾何不變體系，在剛架轉(zhuǎn)折處設(shè)置剛性系桿。如果廠房的柱較高，而且沒(méi)有吊車可根據(jù)支撐的夾角設(shè)置雙層柱間支撐，保持支撐與水面夾角在30°～60°，以吊車做縱向系桿設(shè)置，上下兩層柱間支撐，不設(shè)置下層支撐，以減少吊車梁的溫度應(yīng)力。一旦上述高度采用十字形柱間支撐的角度少于30°時(shí)，上柱支撐可采用人字形或W形支撐。柱間支撐在無(wú)吊車廠房?jī)?nèi)，可采用張緊裝置的十字交叉圓鋼支撐，有5t以上吊車時(shí)，柱間支撐應(yīng)采用型鋼支撐，設(shè)置屋蓋縱向支撐提高吊車梁的側(cè)向剛度。

3.4 隅撐的設(shè)置

在建造時(shí)，要考慮到剛架橫梁有可能受壓，必須在受壓兩側(cè)布置軸承作為橫梁的側(cè)向支撐。在實(shí)際的建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，往往會(huì)以隅撐作為鋼梁平面外的支點(diǎn)來(lái)減小鋼梁的壓力，提高整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，適當(dāng)減少支撐長(zhǎng)度，增加內(nèi)力。在施工中通過(guò)設(shè)置隅撐，確保安裝精密度一般每隔1根檁條設(shè)置1道隅撐，中間的間隔為2～4m，進(jìn)行隅撐設(shè)計(jì)時(shí)也要注意以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

第一，如果鋼梁截面較大時(shí)，應(yīng)按固定規(guī)程精確算出隅撐的強(qiáng)度。

第二，與隅撐相接的檁條厚度不易太薄，如果低于2mm將無(wú)法起到對(duì)鋼梁的支撐效果，所以，也需要提前算出檁條局部的承壓能力。

第三，關(guān)于設(shè)置隅撐的鋼柱外計(jì)算長(zhǎng)度是否可以按間距來(lái)測(cè)量，目前尚存在爭(zhēng)議，在沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下，建議取隅撐間距的1.1倍[1]。

3.5 大跨度門式剛架端板連接設(shè)計(jì)

為了提高施工的便利性，所常使用的剛架跨度為15～36m，采用運(yùn)輸加工分段進(jìn)行的方式到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接安裝，在安裝過(guò)程當(dāng)中涉及端板結(jié)構(gòu)連接特點(diǎn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，其中端板連接是整個(gè)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中性價(jià)比最高的方式，廣泛應(yīng)用在大跨度輕型門式剛架中，與翼緣拼接和常用的腹板拼接方式相比，端板連接更能夠降低材料的成本，而且能增加整體構(gòu)造的穩(wěn)固性，現(xiàn)場(chǎng)拼接的方式也較為方便。端板拼接有3種形式，分別為豎放、斜放和橫放。端板連接也考驗(yàn)其承受的彎矩和剪力，按最大應(yīng)力設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度螺栓，端板連接螺栓應(yīng)呈對(duì)稱布置，不宜少于2排。端板的厚度也不能小于1cm，采用全熔透對(duì)接焊縫的技術(shù)，將翼緣與端板之間進(jìn)行焊縫，確保焊接的質(zhì)量。

3.6 屋面活荷載取值

目前，市面上所使用的大跨度門式剛架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要是根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行制作，經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中對(duì)活荷載的規(guī)定為0.5kN/m2，但是如果構(gòu)件的荷載面積更大，可乘折減系數(shù)0.6。大跨度門式剛架符合這種條件，取活荷載數(shù)為0.3kN/m2。

國(guó)內(nèi)外對(duì)此數(shù)據(jù)有了較大的差異，國(guó)外的該房屋設(shè)計(jì)中需要考慮到0.15～0.5kN/m2的附加荷載，但在我國(guó)的設(shè)計(jì)內(nèi)容當(dāng)中并沒(méi)有此類的描述。所以有些廠房框架的柱梁太細(xì)，克扣負(fù)載，如果遇到大風(fēng)等惡劣天氣有可能會(huì)超出負(fù)載額度，很容易使廠房出現(xiàn)安全問(wèn)題，因此，在建造大跨度門式剛架時(shí)一定要注重房屋的活荷載取值，不能一味地克扣荷載，保障廠房的穩(wěn)定性。

3.7 需計(jì)算好合理的跨度

跨度問(wèn)題在很大程度上影響著廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由于不同生產(chǎn)流程的工藝在使用的時(shí)候可能有很大的差距，因此有些企業(yè)甚至希望能夠根據(jù)自己的使用要求來(lái)合理配置廠房形式與大小。這種情況下需要提前計(jì)算哪一種跨度能夠幫助企業(yè)節(jié)省成本，盡可能地滿足生產(chǎn)工藝要求，根據(jù)房屋的高度確定合理的跨度，首先需要計(jì)算梁高和荷載。確定2項(xiàng)數(shù)值后，適當(dāng)加大跨度剛架的用鋼量，但整體的造價(jià)會(huì)較低，能進(jìn)一步節(jié)省空間，所以帶來(lái)的綜合效果非常好，通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如果房檐過(guò)高跨度過(guò)大，采用中間設(shè)置搖擺柱的方式，鋼量較單跨剛架能節(jié)省20%左右，因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該選用較為經(jīng)濟(jì)的跨度[2]。

3.8 剛架間距的確定

房?jī)r(jià)的間距與房屋荷載跨度等因素相關(guān)，選用較大的間距會(huì)發(fā)現(xiàn)檁條的用鋼量不經(jīng)濟(jì)。為符合規(guī)范要求，剛架柱的間距在6～9m最為適合。

3.9 柱腳的抗風(fēng)措施

在實(shí)際的工程當(dāng)中，偶爾會(huì)聽(tīng)說(shuō)在大風(fēng)時(shí)會(huì)把剛架柱子連根拔起，其實(shí)最主要的原因并不是由于荷載計(jì)算錯(cuò)誤，而是在支撐柱間時(shí)忘記考慮支撐傳給柱腳的力。尤其是房屋的縱向尺度較小，只涉及少量的柱間來(lái)抵抗風(fēng)荷載，支撐會(huì)給柱腳帶來(lái)很大的拉力，如果柱腳沒(méi)有可靠的固定措施，很有可能會(huì)連根拔起，因此在容易刮大風(fēng)的地區(qū)，要額外注意柱腳的抗風(fēng)措施，如在柱腳設(shè)置描栓端部設(shè)描版等[3]。

3.10 防火設(shè)計(jì)方面

眾所周知，大跨度門式剛架雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)火災(zāi)的防護(hù)性能較差，尤其是廠房的溫度變化較大時(shí)，內(nèi)部的屈曲強(qiáng)度和彈性模量都會(huì)隨著溫度的升高而降低。如突發(fā)火災(zāi)，溫度的急速上升會(huì)使廠房的鋼結(jié)構(gòu)失去自身的承受能力，從而導(dǎo)致廠房的坍塌，為了能夠提高鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性，有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取保護(hù)措施。需要對(duì)火災(zāi)的危險(xiǎn)類別進(jìn)行劃分，全體的設(shè)計(jì)人員確定門式剛架，輕鋼廠房的防火等級(jí)，同時(shí)根據(jù)我國(guó)的規(guī)范和防護(hù)要求，確保鋼構(gòu)件的質(zhì)量，在最大限度上避免高溫給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的負(fù)面影響。同時(shí)也可以采用在鋼結(jié)構(gòu)表面涂防火材料的措施，提高鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火性能。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更要從大局出發(fā)，多角度地考慮好設(shè)計(jì)工作，如按國(guó)家規(guī)范要求，設(shè)置疏散電梯安全出口，以便突遇火災(zāi)時(shí)，廠房?jī)?nèi)的工作人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)緊急撤離，避免企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，保證工作人員的人身安全。

3.11 防水設(shè)計(jì)方面

大跨度門式剛架廠房所需要的材料是金屬彩鋼板，雖然很美觀但是防水問(wèn)題也一直存在，做好防水設(shè)計(jì)是建筑大跨度門式剛架廠房的必要工作。由于金屬彩鋼板自身的熱系數(shù)較大，當(dāng)接觸到的外界環(huán)境發(fā)生較大的溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的溫差變化，溫度變化會(huì)收縮彩鋼板，從而使接口處產(chǎn)生位移誤差，因此極容易出現(xiàn)漏水問(wèn)題，在彩鋼板的接口處是漏水問(wèn)題的高發(fā)區(qū)域。鋼結(jié)構(gòu)體系中，鋼結(jié)構(gòu)本身容易受到溫度變化，風(fēng)荷載等外力的作用容易產(chǎn)生形變，支點(diǎn)連接處也容易產(chǎn)生漏水隱患。特殊部位由于材料的銜接不同，受到溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力不同步，需要及時(shí)修補(bǔ)漏水隱患。對(duì)于金屬彩鋼板的防水設(shè)計(jì)，要采用以導(dǎo)為主、以堵為輔的方式，重視整個(gè)設(shè)計(jì)的施工過(guò)程，將防水工程作為一個(gè)系統(tǒng)工程來(lái)做。在設(shè)計(jì)階段要考慮到大跨度門式剛架廠房的坡度、坡長(zhǎng)、構(gòu)件等諸多因素，科學(xué)地采用彩鋼板的規(guī)格。設(shè)計(jì)合理的截面和充足的落水點(diǎn)，出具詳細(xì)的防水構(gòu)造措施，從理論上減少漏水的可能性。施工過(guò)程當(dāng)中，施工人員也應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改良，并且在施工中監(jiān)督施工環(huán)節(jié)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)地整改，做好驗(yàn)收工作，記錄房屋淋水試驗(yàn)，嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。即使在驗(yàn)收之后也應(yīng)該定期進(jìn)行檢修，確定沒(méi)有任何的漏水隱患后才可投入使用[4]。

3.12 計(jì)算剛架的側(cè)移內(nèi)力

現(xiàn)階段，計(jì)算內(nèi)力的過(guò)程中可用的方法是有很多的，在門式變截面剛架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算過(guò)程中通常運(yùn)用彈性分析法，雖然通過(guò)其他的計(jì)算方法也可以得到所需的參數(shù)，但是計(jì)算的基礎(chǔ)精準(zhǔn)度沒(méi)有彈性分析法的精準(zhǔn)度要高。另外，塑性分析法也是一種常用的方法，但是這種方法僅僅用在剛架擁有全部等截面的鋼柱內(nèi)力計(jì)算過(guò)程中。在具體的計(jì)算過(guò)程中，通常是運(yùn)用單元桿系有限元的方式，計(jì)算所需要的參數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜的，在地震過(guò)程中所產(chǎn)生的效應(yīng)作用可以利用該方法進(jìn)行確定。同時(shí)，根據(jù)不同的荷載情況確定內(nèi)力結(jié)果。在具體分析過(guò)程中，要確定不同荷載的具體組合情況，組合不同所造成的內(nèi)力結(jié)果也是有很大差距的。在計(jì)算過(guò)程中，盡量找出截面受控的內(nèi)力組合，將截面的位置控制在筑底連接柱頂以及跨梁的截面上。最后，側(cè)移內(nèi)力的影響因素相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較多的，因此，在計(jì)算過(guò)程中必須要確定哪些因素是主要的影響因素，哪些是次要的影響因素，由于在計(jì)算的過(guò)程中通常是運(yùn)用彈性分析法來(lái)確定，所以在具體的計(jì)算過(guò)程中僅需要獲取標(biāo)準(zhǔn)荷載的數(shù)值，雖然其他的一些數(shù)據(jù)也會(huì)對(duì)最終的結(jié)果造成一定的影響，如分項(xiàng)荷載的系數(shù)，但是由于該系數(shù)的復(fù)雜程度比較高，所以在計(jì)算過(guò)程中，一般不考慮它的影響。剛架側(cè)移內(nèi)力的計(jì)算分析結(jié)果對(duì)于剛架結(jié)構(gòu)的建設(shè)是非常重要的，在后期的搭建過(guò)程中，還需要根據(jù)測(cè)移的具體數(shù)值來(lái)選擇相應(yīng)的建設(shè)位置，因此，必須要重視該過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，由于我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)發(fā)展較晚，在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)很多的施工細(xì)節(jié)可能要經(jīng)過(guò)多次的運(yùn)算才能確定，再加上很多的工作人員施工經(jīng)驗(yàn)不豐富，導(dǎo)致施工效果不理想，整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高，所以需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)的知識(shí)，改變?cè)O(shè)計(jì)觀念，對(duì)現(xiàn)在所存在的問(wèn)題進(jìn)行完善，確保提高工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，推動(dòng)我國(guó)門式剛架新型鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。

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