門式剛架結構廠房結構的優化設計

宋慧斌 山西潞安工程勘察設計咨詢有限責任公司

1 前言

門式剛架結構在廠房建設中的應用，可提高廠房建設的速度，并可保證廠房結構的穩定性和可靠性。目前，門式剛架一般采用的是新型環保材料，質量更輕，并且是工廠化生產，將剛架運輸至施工現場直接進行組裝，施工速度快，與傳統施工建設相比，剛架組裝更加的方便快捷，并且組裝后的廠房兼具美觀和實用性，進一步擴展了剛架結構的應用范圍，除了在廠房結構設計中的應用，還可用于市場、庫房，以及民用建筑等設計中。

2 門式剛架結構廠房結構設計要求

第一，門式剛架在用于廠房結構設計時，有一個非常明顯的劣勢，主要是其構件的強度不夠，彎折性不好，進而導致整個結構的剛性不夠，因此，需要在施工和運輸環節多加注意，盡量避免構件變形問題的出現。

第二，門式剛架在設計階段，要從整體布局入手，進行統一的規劃和設計，對門式剛架安裝過程中的各個構成要素進行有序對接，尤其是墻體與屋頂之間，以及各個面板之間的對接，其決定著整個結構的牢固程度。

第三，由于門式剛架結構是由眾多的構件組成，這些構件多數使用的是輕質材料制作，在安裝和運輸中容易出現破損，需在這兩個環節做好防護措施。

第四，門式剛架結構主體使用的是鋼材料，在用于廠房結構設計時，需要考慮到防腐措施，避免剛架銹蝕，降低剛架結構的荷載能力。

第五，在設計中需慎重考慮塑性設計問題，如果剛架梁柱使用的是變截面桿件，梁柱腹板的強度，在設計中要采用使用后的屈曲強度，也就不能使用塑性設計。

第六，在設計中要考慮特殊情況下，屋面荷載問題，剛架結構的屋面使用的是輕型面板，當風力過大，這些輕型面板荷載過大，極易被損壞。

3 結構形式

門式剛架結構包括了單跨、雙跨、多跨等多種類型，也可通過坡脊數進行區分，像單脊單坡、多脊多坡，屋面的坡度一般需控制在1/20～1/8。其中單脊雙坡多跨剛架在廠房結構中應用較多，其支柱設計較少，可保證內部空間的最大化。在負荷標準較低，且柱高有一定要求的情況下，應以材料集中安裝作為設計的標準，中柱可采用搖擺柱的設計方式，對其兩端進行鉸接。

在門式剛架結構中，柱腳通常采取鉸接處理，如果廠房建設后，需要使用橋式吊車，那么在柱腳設計中，則需采用剛接處理，在吊車選擇時，要考慮剛架結構可承受的負荷，建議使用重量小于20t的橋式吊車，或者是小于3t的懸掛吊車。

4 結構尺寸設計優化

4.1 剛架結構尺寸設計

在剛架結構柱寬度不一致的情況下，需與外側保持一致，柱的高度要結合剛架內部的實際情況，進行適當的調整，需控制在5m～9m 之間。跨度最大為35m，最小為10m。另外，剛架間距在設計中，需要根據跨度和負荷進行設置，可選擇的距離有6m、7m、9m。縱橫向的溫度區段不可超過300m和150m，有特殊設計要求的需依據實際情況，可進行合理的調整。

4.2 檁條和墻梁設計

檁條間距在設計中要從天窗尺寸、剛度、采光等多個方面進行慎重考慮，在業主方沒有要求時，一般使用的是等間距設計，屋脊兩側、天溝位置各設一道檁條。側墻梁在設計中，需從整體功能上出發，并且要考慮到門窗和雨搭的設計要求。

4.3 支撐與系桿設計

第一，溫度區段在設計中，要保持其相對的獨立性，以確保其具有穩定的空間結構。

第二，支撐開間屋蓋需具有幾何穩定性，應采取橫向支撐。

第三，端部各個支撐的間距一般為30m～45m之間，一般設計在溫度區段，廠房有吊車要求的情況下，間距可增加至60m，并且要考慮結構的縱向受力數據。第四，第二個開間設計支撐的情況下，第一個開間與之對應的位置，需要使用剛性系桿。

第五，剛架轉彎位置，應采用剛性系桿鞏固剛架結構，系桿的長度要根據廠房的長度進行設計。

第六，剛性系桿可以使用其他材料進行替換，以達到穩定剛架結構的目的，如果檁條剛性較好，就可進行替換，當檁條不符合的情況下，可采用H型鋼替代，進而提高整個結構的負荷能力和穩定性。

第七，如果廠房需要使用大于5t的吊車，必須要使用型鋼做支撐，如若業主要求不用柱間支撐，可應用縱向剛架做支撐。

5 門式剛架設計優化

5.1 荷載與其組合

5.1.1 荷載類型

荷載可分為永久荷載和可變荷載，永久荷載是指不發生變化的荷載，也就是剛架以及剛架上各種材料、各種構件的重量總和，像屋面重量、梁柱、支撐、剛架本身的重量等。可變荷載，也就是指隨時變化的荷載，比對，剛架結構上的灰塵，屋面受到大風、下雨、下雪的影響，以及廠房中使用了吊車等，這些都會導致荷載發生一定的變化。

5.1.2 荷載組合

遵循GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》的要求，對荷載組合進行設計。

第一，在計算屋面受到的荷載力時，要使用最大荷載值，不可使用均勻荷載，由于積灰荷載值過小，設計中無需考慮。

第二，在施工、維修荷載設計時，不用納入剛架自身的荷載。

第三，如果廠房在建設后，需要使用多臺吊車，應完全遵循規范的要求進行設計。

第四，其他荷載，像地震、風力、雪雨等，這些都會對屋面有一定的荷載作用，需要分別考慮。

5.2 梁柱設計

第一，檢測梁柱承受力的最大值，并明確其厚寬比例；第二，支撐體系，梁腹板需要安裝在支柱中間，應準確計算出梁腹板兩側的橫向受力；第三，要確定梁柱安裝后，在整個結構中的穩定程度；第四，變截面柱具有支撐的作用，需對其支撐的可靠性進行檢測。

5.3 附屬結構

5.3.1 壓型鋼板

第一，在選擇鋼板時，首先需要結合廠房的實際功能、使用年限要求，以及建設后的用途等，進行壓型鋼板的選擇，以保證廠房在使用年限內，無任何問題。

第二，截面的選擇，其有高、中、低三種波板，其中高波板的剛度最大，負荷能力也是最好的。

第三，強度與擾度，在實際的計算中，需使用單槽口的有效截面，依據受彎構件進行計算。

第四，需要考慮到業主對設計的特殊要求，進行鋼板型號的選擇。

5.3.2 檁條

第一，檁條截面可分為實腹式、格構式兩種，當剛架跨度對檁條的要求在8m以內時，建議選擇實腹式；第二，設計人員如果應用的是雙向受彎結構，在檁條受力分析中，要使用檁條上的兩個軸心進行計算，確定其截面的彎矩受力；第三，在檁條安裝之前對其進行嚴格的質量檢測，主要包括了剛度、穩定性、形變等，以保證檁條質量符合廠房結構組裝的要求。

5.3.3 墻梁

墻梁的設計較為靈活，依據柱距進行確定，可使用一個簡支梁，也可使用連續梁。由于墻梁雙向受彎，會受到風力、自身重量，以及承載構件等的影響，材料建議使用z 形鋼。以及墻面邊界的位置，必須要安裝一道墻梁。針對墻梁的撓度與荷載問題應設計拉條，以減少兩個作用力對墻梁的影響，通常設計在墻梁上，或者是最上層墻梁位置，設計一道斜拉條，將兩個作用力傳遞給剛架柱。

5.3.4 支撐

剛架結構的柱間一般使用的是安拉桿設計，以作為柱間的支撐。斜梁水平支撐力計算需要考慮到兩個參數，一個是橫向風力，另一個是水平桁架，并且要注意斜梁負荷的考量，以確定準確的水平支撐力。柱間支撐力計算時，需要考慮縱向風力和懸臂桁架，并要減去壓桿交叉支撐的承受力。

6 柱間距的優化設計

柱布置是剛架結構設計中的難點和重點，需依據廠房的設計要求，科學合理的布置柱間距平面圖。在以往的設計中，一般將柱間距設置在6m左右，并可依據業主對廠房設計的實際要求，將柱距增加至9m，或者是其他間距，使用的是設定值的設計方式，遵循普通廠房的結構設計內容。但是這種設計方式，已經不適用現階段門式剛架結構的設計需求，由于柱間距設計與廠房建設成本有著直接的關系，應從控制費用的角度出發，進行柱間距的優化設計。

第一，剛架成本，剛架的質量和用量決定著成本，呈現的是正比關系，在保證剛架質量的基礎上，用鋼量是成本控制的關鍵性指標，柱間距也是柱密度的體現，密度越大，則用鋼量也就越多。

第二，在剛架結構設計中應用節能、環保型等高科技面板材料，替代原先的鋼筋混凝土面板，是對原有剛架結構的升級和改進，輕型剛架結構材料的應用，可直接減少柱的數量，柱間距增加，成本直接被降低。

第三，柱間距的用鋼成本，還與鋼的市場價格、產品規格、制造技術等有關，如果使用標準化鋼材，那么需要較大的成本費用。因此，在柱間距設計中，要抓好柱間距的各項參數，計算出不同柱間距模式的成本，以成本最小化為原則，在保證剛架結構質量的基礎上，設計出理想的柱間距布置方案。

7 結束語

基于以上的論述，在門式剛架設計優化中，需要注意結構優化設計要從整體性上出發，每個構件都會影響到整個剛架的穩定性，綜合考慮剛架結構縱向和橫向上的受力，合理設計剛架結構的尺寸、形式、附屬結構等，精確計算各個構件的荷載力，并妥善的進行細節處理，構建一個穩定、可靠的空間結構，進而打造出一個高質量的廠房工程。