門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設計研究

王夢宇WANG Meng-yu

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 門式剛架概述

1.1 發(fā)展概況

20 世紀中葉，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系起源于美國，最初應用于兵營、庫房和工廠的建設中，隨著新型建筑鋼材的發(fā)展、設計水平的提高、設計形式的多樣化，這種結(jié)構(gòu)體系的建筑更加廣泛地應用于大型工業(yè)廠房、娛樂體育設施等工業(yè)與民用建筑中。此外，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑，因為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高、抗震性能好的特點，在地震頻發(fā)的日本較為普及，據(jù)統(tǒng)計，日本新建的1～4 層建筑大多采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系。由于我國多年來本著節(jié)約鋼材的設計原則，門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)體系發(fā)展和應用較為緩慢，但隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展、鋼材產(chǎn)量的增加、相關(guān)設計規(guī)范和圖集的進一步完善，該結(jié)構(gòu)體系在我國已取得了較為廣泛的應用。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

門式剛架結(jié)構(gòu)按跨度可分成單跨、雙跨、多跨以及帶挑檐和毗屋的類型；按房屋坡脊類型可分為單脊單坡、單脊雙坡和多脊多坡；按截面形式可分為等截面和變截面門式剛架。

圖1 門式剛架結(jié)構(gòu)形式示例

1.3 結(jié)構(gòu)特點

受力簡單，傳力路徑明確；圍護結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼等輕型材料，結(jié)構(gòu)整體自重輕；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的生產(chǎn)可實現(xiàn)自動化、標準化，施工周期短，安裝和拆卸相對便利；結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面尺寸較小，柱網(wǎng)布置靈活，不僅提高了空間利用率，還大大減小了用鋼量，經(jīng)濟效益明顯；基礎(chǔ)形式較為簡單，土建工程量較小，是一種經(jīng)濟可靠的結(jié)構(gòu)形式。

2 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設計流程及要點

門式剛架上部結(jié)構(gòu)主要包括由剛架梁和剛架柱組成的主剛架；屋面支撐、隅撐、柱間支撐組成的支撐系統(tǒng)；搖擺柱、墻梁、檁條、拉條、剛性撐桿和吊車梁系統(tǒng)等。（圖2）

圖2 門式剛架結(jié)構(gòu)組成示意圖

下面以某停車列檢庫為例，詳細論述門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計流程。

2.1 主要技術(shù)條件

某停車列檢庫選用門式剛架結(jié)構(gòu)體系。柱距9.0m，跨度24.0m，縱向長度108.0m，層高9.4m，室內(nèi)外高差300mm。屋面做法選用雙層壓型鋼板復核保溫屋面，屋面坡度取1/10。

根據(jù)建筑物重要性，結(jié)構(gòu)抗震設防類別為丙類；結(jié)構(gòu)安全等級為二級，耐火等級為二級，主體結(jié)構(gòu)設計使用年限為50 年。

基本雪壓為0.25kN/m2（100 年重現(xiàn)期），基本風壓0.40kN/m2（100 年重現(xiàn)期），地面粗糙類別：B 類。屋面恒載0.5kN/m2，屋面活載0.5kN/m2。

本工程建筑抗震設防烈度為8 度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.30g，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s。

2.2 主剛架設計

主剛架由剛架梁和剛架柱組成，為門式剛架結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件。設計時應按彈性分析方法計算，不宜考慮應力蒙皮效應，可按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力。因此根據(jù)建筑形式，利用PKPM 軟件建立單跨雙坡門式剛架二維模型。

梁柱截面尺寸為變截面時，構(gòu)件受力更合理，截面形狀與內(nèi)力圖形較為吻合，腹板寬厚比較大，設計時運用其屈曲后剛度以節(jié)約材料。因此剛架柱選用450～750×350×16×18 變截面工字鋼柱，剛架梁選用850～600×300×14×16變截面工字鋼梁，均為Q355 級鋼，主剛架立面圖如圖3所示。

圖3 主剛架立面圖

2.2.1 荷載布置

門式剛架結(jié)構(gòu)設計中的荷載布置，主要包括恒載和活載暨永久荷載與可變荷載。其中恒載主要為屋面板、檁等構(gòu)件的自重，活載則包括風荷載、雪荷載、豎向活載等。

本工程恒載標準值0.5kN/m2，雪荷載不與屋面活載同時考慮，活載按0.5kN/m2取值，施工檢修荷載1.0kN，基本風壓為0.40kN/m2，迎風面寬度為柱距9.0m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 規(guī)定[1]，風荷載高度變化系數(shù)為1.0，根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）表4.2.2-1 規(guī)定，風荷載系數(shù)以封閉式中間區(qū)取值[2]。

值得注意的是，本工程外圍護結(jié)構(gòu)為蒸壓加氣混凝土砌塊，該部分重量雖不直接向主剛架傳導豎向應力，但在水平地震作用下，由于與主剛架的可靠拉結(jié)，該部分質(zhì)量產(chǎn)生的水平地震力將傳遞給建筑主體構(gòu)件，因此在荷載布置時，需將一半高度的圍護墻重量以附加荷載的形式布置在柱頂節(jié)點。

2.2.2 約束布置

門式剛架柱腳分為剛接柱腳和鉸接柱腳，兩種柱腳在構(gòu)造、受力和與基礎(chǔ)的連接方式上均有不同。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）5.1.4 條規(guī)定，“門式剛架柱腳宜按鉸接支承設計。當用于工業(yè)廠房有5t以上橋式吊車時，可將柱腳設計為剛接。”當檐口標高較高、水平荷載較大、結(jié)構(gòu)對側(cè)移要求嚴格時，也應采用剛接柱腳。

本工程柱腳形式為鉸接，為保證主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的可靠連接，需要預埋錨栓。柱腳錨栓選用Q355，M30 柱腳錨栓且采用雙螺母；錨栓最小錨固長度按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）表10.2.15 選取。

2.3 次結(jié)構(gòu)設計

門式剛架次結(jié)構(gòu)主要包括柱間支撐、屋面支撐、隅撐組成的支撐系統(tǒng)和搖擺柱、墻梁、檁條、拉條、剛性撐桿等。

門式剛架次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，連接不同平面形成空間剛度和穩(wěn)定性較強的結(jié)構(gòu)。第二，支承外圍護和屋面板，將外部荷載傳遞給主體結(jié)構(gòu)；第三，傳遞縱向風荷載和地震作用等縱向荷載。

2.3.1 支撐系統(tǒng)設置

門式剛架結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)由柱間支撐、屋面支撐和隅撐組成。支撐系統(tǒng)的布置需要滿足必要的剛度、強度要求，能夠明確、合理地傳遞縱向荷載，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系平面外穩(wěn)定[3]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性依靠屋面支撐與柱間支撐所組成的整體。縱向水平荷載的傳遞路徑，由屋面橫向水平支撐傳遞到柱間支撐，最后傳至基礎(chǔ)。

屋面橫向水平支撐設置在建筑物溫度區(qū)段的兩端開間內(nèi)，當結(jié)構(gòu)簡單且各跨度高度一致時，在滿足溫度區(qū)段長度條件下，可僅在端開間設置。當存在高低跨變化時，為提高結(jié)構(gòu)整體性，受力更加合理，需要設置縱向水平支撐。屋面水平支撐主要由交叉桿和剛性系桿組成，交叉桿按拉桿設計，剛性系桿按壓桿設計，剛性系桿在屋脊和柱頂沿房屋縱向全長布置[4]。本工程屋面支撐交叉桿選用Φ25 圓鋼，材質(zhì)為Q355，為避免圓鋼撓度過大，設置花籃螺栓。剛性系桿選用Φ159×5.0 圓鋼，材質(zhì)為Q355。

柱間支撐與屋面支撐宜設置在同一開間，組成一個支撐桁架以抵抗縱向荷載。無吊車時柱間支撐間距取30-45m，屋面支撐承受的荷載通過柱頂剛性系桿傳遞到柱間支撐上。當不允許設置交叉支撐時，可設置門架支撐[5]。本工程柱間支撐采用交叉支撐的形式，選用L90×8.0 的雙邊角鋼，材質(zhì)為Q355。

隅撐是連接檁條、墻梁和剛架受壓翼緣的構(gòu)件，設計時按軸心受壓構(gòu)件計算，一般在剛架斜梁全跨度內(nèi)設置，以提高剛架梁下翼緣和柱內(nèi)翼緣的平面外穩(wěn)定性[6]。本工程隅撐選用L50×6.0 單角鋼，材質(zhì)為Q355。

2.3.2 屋面系統(tǒng)設置

屋面系統(tǒng)主要由屋面檁條、拉條、斜拉條、剛性撐桿組成。

檁條設置在剛架斜梁上。為防止檁條局部扭轉(zhuǎn)，增強其穩(wěn)定性，利用檁托將其與剛架梁連接。檁條承受豎向均布荷載，是雙向受彎構(gòu)件，通常按單跨簡支檁條設計。檁條根據(jù)截面形式可分為實腹式和格構(gòu)式，實腹式檁條截面形式主要有熱軋型鋼、H 型鋼和冷彎薄壁型鋼。當屋面做法為壓型鋼板等輕型屋面時一般采用冷彎薄壁型鋼截面，當屋面坡度≤1/3 時，選用C 型檁條；當屋面坡度＞1/3 時，選用Z 型檁條，與C 型檁條相比受力更加合理，但是安裝較為復雜[7]。

屋面檁條布置時間距一般相同，并在屋脊兩側(cè)和天溝附近分別布置一道檁條，防止屋面板外伸過大并便于天溝固定，檁條跨度與柱距相同。

由于檁條在豎向均布荷載作用下產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，為將檁條沿屋面坡度方向的分力傳遞給梁、柱，需要布置拉條和剛性撐桿，提高檁條的側(cè)向穩(wěn)定性，其中拉條主要傳遞拉力，剛性撐桿主要承受壓力。當檁條跨度大于4m 時，拉條布置在檁跨中位置，當檁條跨度大于6m 時，在檁條跨度三等分點處分別設置拉條；在屋脊和檐口處需要布置斜拉條和剛性撐桿。本工程選用280×80×25×3.0C 型檁條，材質(zhì)為Q355。

拉條通常選用圓鋼，直徑不小于10mm 的；剛性撐桿可選用鋼管、方管、角鋼或者圓鋼內(nèi)設拉條的做法，長細比應小于200。本工程拉條和斜拉條均為直徑12mm 的圓鋼，剛性撐桿選用Φ32×3.0 圓鋼內(nèi)設拉條的做法，材質(zhì)均為Q355。

2.4 基礎(chǔ)設計

由于門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)自重不大，基底反力一般較小，所以基礎(chǔ)選型通常選擇獨立基礎(chǔ)[8]。但在實際工程中還要結(jié)合工程實際，如地質(zhì)狀況、使用需求等，合理選擇基礎(chǔ)形式。對于本工程來說，場地覆蓋層主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)的黃土狀粉質(zhì)黏土、圓礫以及新近系泥巖，存在一定深度的濕陷性黃土，屬不良地質(zhì)，因此選用樁基礎(chǔ)形式。

2.5 經(jīng)濟技術(shù)指標

跨度、柱距、結(jié)構(gòu)高度、鋼材類型、有無吊車、屋面坡度是影響門式剛架結(jié)構(gòu)用鋼量的主要因素。本工程跨度24.0m，柱距9.0m，跨度與柱距的選取均較為經(jīng)濟，檐口高度9.4m，無吊車，屋面坡度1/10，選用Q355 鋼。主剛架用鋼量約為15kg/m2；次結(jié)構(gòu)用鋼量約為10kg/m2，其中墻梁和檁條約7kg/m2，支撐系統(tǒng)1.5kg/m2。此外節(jié)點做法用鋼量占到鋼結(jié)構(gòu)全部數(shù)量的10%～15%左右。

3 結(jié)論

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，因其自身優(yōu)點和良好的經(jīng)濟性，在建筑工程上應用較為普遍。相關(guān)設計規(guī)范和圖集的進一步完善也為門式剛架的結(jié)構(gòu)設計提供了科學指導，為其快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。文章以某停車列檢庫為例，闡述了門式鋼架的特點，詳細論述了門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設計流程和設計要點，主要包括主剛架設計、荷載取值、約束布置、材料選取、支撐系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)等門式剛架次結(jié)構(gòu)的設置，為其他工程的設計提供參考。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，一定程度上彌補了傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的局限性。同時對設計者也提出了更高的要求，要更加認真學習相關(guān)規(guī)范規(guī)程，深刻理解設計原理，不斷優(yōu)化技術(shù)方案，提高設計質(zhì)量。