工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)探析

馬曉文 （山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030009）

0 前言

伴隨著我國(guó)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念也發(fā)生了變化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中很少應(yīng)用。同時(shí)當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的理念在各個(gè)領(lǐng)域間滲透，為輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與運(yùn)用提供了有利契機(jī)，其具備節(jié)能性、抗風(fēng)性、抗震性等特點(diǎn)，與節(jié)能環(huán)保理念相契合。為了能夠加深對(duì)其認(rèn)知，推進(jìn)工業(yè)建筑領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展，下文將對(duì)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

1 輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)

如圖1 為輕型鋼結(jié)構(gòu)布局，分析其特點(diǎn)，首先，從重量角度，相比于其他結(jié)構(gòu)重量更輕，原因主要是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)利用輕型焊接方式的H 型鋼，截面利用系數(shù)高，可很大程度上減少鋼材的使用量。其次，有著較高的工業(yè)化水平，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)部件所用材料存在單一性，整體構(gòu)造趨于簡(jiǎn)單化，與復(fù)雜結(jié)構(gòu)相比更容易做到自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)。同時(shí)其安裝便捷，更加契合于工業(yè)建筑領(lǐng)域發(fā)展[1]。最后，由于輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單且施工經(jīng)驗(yàn)成熟，相比于其他結(jié)構(gòu)有著更短的工期，縮短工期在工業(yè)建筑領(lǐng)域可以有效控制成本。此外，從性能角度來(lái)看，其質(zhì)地較強(qiáng)，在應(yīng)用時(shí)并沒(méi)有過(guò)高的技術(shù)要求，在實(shí)際運(yùn)用中存在一定便捷性。

圖1 輕型鋼結(jié)構(gòu)布局

2 工程概況

本工程為山西省某工業(yè)廠房建設(shè)工程，建筑面積7246.51m2，為單層雙跨輕型鋼結(jié)構(gòu)，屋面設(shè)計(jì)采用在檁條上鋪設(shè)彩色鋼板，外墻圍護(hù)采用彩色鋼板。其建筑設(shè)計(jì)等級(jí)丙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。整體設(shè)計(jì)使用年限50 年?；诮ǔ珊髲S房用途，對(duì)操作空間有著較大要求，因此在廠房設(shè)計(jì)時(shí)選擇門剛輕型鋼結(jié)構(gòu)，為雙跨結(jié)構(gòu)，門式剛架長(zhǎng)度55m。

3 設(shè)計(jì)荷載資料

此次設(shè)計(jì)在計(jì)算時(shí)根據(jù)表1 荷載資料進(jìn)行。

設(shè)計(jì)荷載資料 表1

4 設(shè)計(jì)軟件

本次設(shè)計(jì)涉及的鋼結(jié)構(gòu)模型、強(qiáng)度計(jì)算、截面優(yōu)化、結(jié)構(gòu)計(jì)算以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容均通過(guò)PKPM-STS 分析所得。設(shè)計(jì)規(guī)范：《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）。

5 輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 荷載組合設(shè)計(jì)

本工程承重構(gòu)件荷載設(shè)計(jì)分為承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中γ0—結(jié)構(gòu)重要系數(shù)，其與輕型鋼結(jié)合設(shè)計(jì)使用年限有關(guān)，本次設(shè)計(jì)使用年限為50年，則γ0≥1.0；

S—忽略地震作用情況下，荷載的組合設(shè)計(jì)值；

R—構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)值；

考慮抗震設(shè)防，抗震驗(yàn)算遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）并通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中SE—考慮地震作用下，荷載作用與地震作用組合的設(shè)計(jì)值；

γRE—承載力抗震調(diào)整系數(shù)；

由于輕型鋼結(jié)構(gòu)重量較小，在計(jì)算荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值時(shí)，通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中γG—永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，若其對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取值1.0，相反則取值1.2；

γQ1和γQi—可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取值1.4；

SQiki—按照可變荷載計(jì)算出的荷載效應(yīng)；

SGK—按照永久荷載計(jì)算出的荷載效應(yīng)；

ψci—可變荷載的組合系數(shù)。

正常使用極限狀態(tài)采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中C——結(jié)構(gòu)達(dá)到正常使用要求的規(guī)定限值。

此時(shí)荷載組合的設(shè)計(jì)值S通過(guò)下列公式計(jì)算：

5.2 梁柱截面設(shè)計(jì)

在構(gòu)建計(jì)算模型前，需確定構(gòu)件的各個(gè)尺寸，而尺寸往往由構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比和高厚比來(lái)確定。表2、表3為受壓構(gòu)件和受拉構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的限制。

受壓構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比限值 表2

受拉構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比限值 表3

荷載輸入計(jì)算：

分別包括計(jì)算恒載輸入、活載輸入和風(fēng)載輸入。其中恒載輸入為屋架間距和屋面單位面積恒載的乘積，本文計(jì)算得19.50kN/m?；钶d輸入為屋架間距和屋面單位面積活載的乘積，計(jì)算得2.925kN/m。屋面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值由下列公式計(jì)算：

式中βz—調(diào)整系數(shù)；

μs—風(fēng)載體型系數(shù)；

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

W0—當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓，取值0.50kN/m2

經(jīng)計(jì)算，柱結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面風(fēng)荷載為0.96kN/m；背風(fēng)面風(fēng)荷載為2.12kN/m，梁結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面風(fēng)荷載為-4.2kN/m；背風(fēng)面風(fēng)荷載為-2.73kN/m。圖2 為其風(fēng)荷載示意圖。

圖2 風(fēng)荷載

5.3 剛架側(cè)移與變形分析

剛架柱頂出現(xiàn)水平位移即側(cè)移，如表4為剛架側(cè)移計(jì)算限值，表5為斜梁豎向撓度設(shè)計(jì)限值。

剛架側(cè)移計(jì)算限值 表4

斜梁豎向撓度設(shè)計(jì)限值 表5

廠房結(jié)構(gòu)在使用時(shí)所承受的水平荷載主要表現(xiàn)為風(fēng)荷載，因此在風(fēng)荷載的作用下即可產(chǎn)生最大側(cè)移[2]。本文對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大值加以確定時(shí)，選擇在風(fēng)荷載組合作用下，柱頂節(jié)點(diǎn)的水平位移。

5.4 校核剛架截面

剛架柱會(huì)承受較小的剪力，其受力多以彎矩和軸力為主，在檢驗(yàn)截面承載力時(shí)主要通過(guò)檢驗(yàn)強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩方面考慮，穩(wěn)定性檢驗(yàn)中的整體穩(wěn)定性細(xì)分為平面內(nèi)和平面外兩種情況。

5.4.1計(jì)算剛架強(qiáng)度

工字型截面構(gòu)件在剪力、軸壓力和彎矩的作用下，其強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)符合以下要求。Vd為抗剪強(qiáng)度承載力，其可由下列公式進(jìn)行計(jì)算：

若剪力V≤0.5Vd，則彎矩：

若剪力V在0.5Vd和Vd之間時(shí)，則彎矩：

若截面表現(xiàn)雙軸對(duì)稱形式，則:

式中MfN—當(dāng)承壓力為N時(shí)，兩邊翼緣能夠承受的彎矩；

Me—有效截面承受彎矩；Af—翼緣的截面積；We—最大有效截面受壓纖維截面模量；Vd—抗剪強(qiáng)度承載力。

5.4.2 結(jié)算鋼架穩(wěn)定性

穩(wěn)定性計(jì)算依據(jù)下列公式：

其中M1——大頭彎矩設(shè)計(jì)值；

N0——小頭軸向壓力設(shè)計(jì)值；

Ae0——小頭有效截面；

Wei——大頭最大有效截面受壓纖維截面模量。

在驗(yàn)算穩(wěn)定性時(shí)，首先需先確定φxy即桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)和βmx即等效為彎矩系數(shù)[3]。其中桿件軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)根據(jù)柱的長(zhǎng)細(xì)比由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）查出，βmx取值1.0。

5.5 墻梁和檁條設(shè)計(jì)

5.5.1墻梁設(shè)計(jì)

墻梁設(shè)計(jì)原則如表6所示。

墻梁設(shè)計(jì)原則 表6

在墻梁與墻面板連接作用下，能夠?qū)α和庖砭壍膫?cè)向位移和扭轉(zhuǎn)位移起到一定約束作用。本文在墻梁內(nèi)翼緣三分之一腹板高度的范圍內(nèi)設(shè)置拉條，從而發(fā)揮約束作用。

5.5.2檁條設(shè)計(jì)

作為屋蓋結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)之一，屋面荷載經(jīng)過(guò)檁條向剛架傳遞，檁條布置位置為剛架斜梁。檁條設(shè)計(jì)分為簡(jiǎn)支構(gòu)件設(shè)計(jì)和連續(xù)構(gòu)件設(shè)計(jì)兩種。同時(shí)剛架間距決定著檁條跨度，檁條的間距由屋面荷載和屋面板材料性能所決定，一般取 值 在1m～1.5m，本 文 檁 條 間 距 為1.5m且優(yōu)先選擇實(shí)腹式檁條。

5.6 支撐設(shè)計(jì)

支撐設(shè)計(jì)效果對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)廠房而言，影響著其穩(wěn)定性、剛度以及空間整體性，對(duì)水平力有著一定承載和傳遞的作用。

5.6.1 支撐設(shè)計(jì)原則

支撐設(shè)計(jì)遵循原則包括以下幾點(diǎn)：①要確保支撐結(jié)構(gòu)能夠?qū)v向荷載進(jìn)行有效傳遞，盡量縮短傳力路徑；②確保支撐結(jié)構(gòu)能夠?yàn)檎w結(jié)構(gòu)提供側(cè)向支撐；③支撐體系安裝應(yīng)便捷穩(wěn)定，連接有著較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度。

結(jié)合本文案例，其支撐結(jié)構(gòu)的荷載傳導(dǎo)路徑：風(fēng)荷載通過(guò)抗風(fēng)柱向屋面支撐體系傳遞；水平荷載通過(guò)屋面支撐傳遞至柱間支撐后，再傳遞至基礎(chǔ)[4]。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，本文抗震設(shè)防為8級(jí)，地震荷載要小于風(fēng)荷載，因此支撐設(shè)計(jì)根據(jù)風(fēng)荷載進(jìn)行。

5.6.2 屋蓋水平支撐設(shè)計(jì)

在《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）中明確規(guī)定，屋蓋橫向水平支撐應(yīng)設(shè)置在端部開(kāi)間和柱間支撐開(kāi)間處[5]。通常來(lái)講，每隔40m左右距離設(shè)置一道橫向水平支撐，若整體結(jié)構(gòu)有抽柱時(shí)，縱向水平支撐應(yīng)設(shè)置在抽柱范圍。若結(jié)構(gòu)存在局部抽柱，在設(shè)置縱向水平支撐時(shí)應(yīng)向兩端再延展一個(gè)柱間距離進(jìn)行設(shè)置。

結(jié)合本工程實(shí)際，為使屋蓋的剛性得以保證，在屋蓋的橫向和縱向均設(shè)置的支撐體系。設(shè)置縱向支撐后，能夠使剛架前互相約束，確保結(jié)構(gòu)整體性和受力空間性。經(jīng)計(jì)算，本文屋蓋水平支撐材料為圓鋼，其規(guī)格為φ25。

5.6.3 柱間支撐設(shè)計(jì)

保證輕型鋼結(jié)構(gòu)的縱向剛度中，墻梁、檁條、水平支撐以及柱間支撐均發(fā)揮了一定的作用，其中以柱間支撐為主。在整體結(jié)構(gòu)中，柱間支撐能夠使結(jié)構(gòu)縱向更加穩(wěn)定，柱與柱之間聯(lián)系具備整體性，能夠有效降低風(fēng)荷載及地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，完善柱間支撐設(shè)計(jì)后，整體結(jié)構(gòu)的縱向剛度將更強(qiáng)。

本文柱間支撐以交叉形結(jié)構(gòu)設(shè)置在托梁的兩端，經(jīng)計(jì)算分析，柱間支撐材料為角鋼，規(guī)格為2L100×6。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，輕型鋼結(jié)構(gòu)基于其材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)在工業(yè)建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，就輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行全面性論述，以期為同行業(yè)人員提供參考，共同推進(jìn)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)整體效益提升。