門式剛架結構工業廠房結構設計探討

岳軍

（中機第一設計研究院有限公司， 安徽 合肥 230000）

門式剛架結構是一種輕鋼結構， 具有輕量化、高強度、 工業化、 縮短工期等優點， 在工業廠房、倉庫、 大型體育場、 展廳等建筑中得到了廣泛的應用。 在實際工程中， 門式剛架結構的使用雖然具有很大的優越性， 但是一旦結構設計不當， 將會對工程的質量和使用壽命造成直接的影響， 甚至造成安全事故。

1 門式剛架結構概述

門式剛架結構廣泛地用于工業廠房、 倉庫和商場， 而在工業廠房中， 剛架結構的重要性日益突出，各種維護結構和支撐結構也形式多樣； 薄壁冷彎型鋼常用于墻架及屋面， 支撐結構構件有角鋼或槽鋼，支撐形式有門撐或交叉型。 剛架結構通常是由梁和柱組成的直線型鋼結構， 每榀剛架用支撐及剛性系桿連接， 形成一個整體， 在實際工程中， 通常把這種結構稱為門式剛架結構， 無吊車時柱腳形式可鉸接也可剛接， 有吊車時且噸位較大時柱腳用剛接[1]。鋼結構的單層鋼架廠房， 特點是重量輕、 抗震性能好、 施工速度快。

2 門式剛架結構工業廠房應用必要性

與鋼筋混凝土相比， 鋼材以其高強度、 質量輕、高機械性能等特點， 在不同的建筑結構中得到了廣泛的應用， 從而使其具有較低的自重和較好的抗震性能。 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》 明確，在地震強度為6 度及以下時， 通常不需進行抗震驗算[2]。 輕鋼結構具有安裝方便、 快捷的特點， 無論從人員數量、 施工工藝、 施工時間等方面都要優于傳統的鋼筋混凝土結構。 另外， 在工廠使用輕鋼結構時， 其成本較低是主要特點之一。 而且， 在裝配之前， 可以按照設計的要求， 提前制造出鋼件， 從而大大縮短了工程的工期。 工程造價進一步降低。剛架結構是一種可重復利用的材料， 能夠按照工業生產現場的實際需要進行拆卸和組合， 從而使其在工程應用中具有更好的環境保護作用。

3 門式鋼架結構平面布置

3.1 溫度區段長度

在門式剛架結構的廠房結構中， 屋面和外墻一般選用壓型鋼板。 因此， 在設計溫度段的長度時，要適當地放寬距離。 一般在鋼結構門式剛架廠房的設計中， 其縱向伸縮縫的間距不能超過300m， 而在水平方向上的伸縮縫間距不能超過150m[3]。 在進行伸縮縫布置時， 可選用長圓孔作為搭接檁條的連接部位。 在此位置的屋面板結構應該可以脹縮， 也可以安裝兩個立柱， 在立柱與吊車梁的連接處， 根據縱向采用長圓孔。

3.2 結構構件布置

在多跨剛架內， 由于工藝布置， 設備較多且大，部分邊柱和中間柱需要抽調， 這時可以進行托架、托梁的布置。 在進行屋面檁條布置時， 必須充分考慮天窗、 采光帶、 屋脊和屋面的材質、 檁條本身的各種性能指標及自重。 由于自重不同， 載荷相應的也不同， 由此檁條間距、 屋面梁截面都會受到影響，必須對其進行相應的計算， 保證其精度[4]。 同時，選用最經濟最合理的廠房柱距可以有效地控制廠房用鋼量， 節約成本。

3.3 墻架布置

在門式剛架輕鋼結構中， 采用壓型鋼板作為側墻的圍護。 在剛架立柱外側進行墻梁的布置， 應根據墻板的板型和規格及在考慮當地風荷載的情況下確定墻梁的間距， 墻梁截面形式一般采用薄壁冷彎C型鋼材， 當墻梁在風荷載作用下受荷面積較大時也可采用薄壁方鋼， 墻梁的布置除考慮上述問題時也需考慮整個廠房外立面的布局， 如門窗位置大小及是否有特殊的造型等。

3.4 支撐布置

在門式剛架輕鋼結構中， 為了保證整體的穩定，可以采用多支撐結構。 橫向水平支撐一般布置在橫梁的頂部， 一般稱之為柱頂系桿， 截面形式可以采用角鋼及圓鋼， 并且在剛架柱之間的位置上提供柱間的支撐。 各分段施工渠道均需設置支撐系統， 以保證各獨立空間結構的穩定。 同時， 根據建筑的縱向柱距、 安裝條件、 受力條件等因素， 計算出柱間支撐的間距。 如果溫度區間太大， 那么應該把間隔設定為三分點， 間隔不超過45m。 當廠房的高度很大時， 可以在設置柱間支撐時進行分層。 在進行柱間支撐開間布置時， 必須同時布置屋蓋的側向支撐，以形成不變的幾何體系。 一般設置第一道柱間支撐時可以設置在第一或第二開間。 當工程本地抗震設防烈度在8 度及以上時。 下柱支撐應設置基礎壓梁。

3.5 檁條設計

設計分析表明， 檁條具有雙向彎曲特性。 在進行內力分析時， 必須對其軸向的彎矩進行科學的計算。 在實際工程中， 應對檁條的強度計算、 變形計算等進行分析。 而對于輕型門式剛架結構， 由于冷彎薄壁檁條的使用， 其寬度比很大， 在受力時會發生彎曲。 為了解決這個問題， 在強度計算時， 必須利用有效寬度， 對原來的截面進行適當的削弱。 同時， 在計算凈斷面的強度時， 也應考慮釘孔的削弱。通常其強度在15%以下， 對小截面窄翼緣的梁有很大的影響。 通過對剛架的整體分析， 發現在不采用凈截面進行強度計算的情況下， 其結果往往比實際的應力要小。 在設計時， 必須明確檁條的作用， 只支撐屋面及墻面板。 當然， 對于剛架梁柱， 也有一定的影響， 可以合理地采用及控制隅撐的數量， 減少剛架外的計算長度， 從而大大提高剛架平面的穩定性。

3.6 拉條設置

檁條的橫向剛度通常是由檁條的橫向剛度決定，若H型鋼的橫向剛度大， 則無需對其進行安裝。 而當檁條的橫向剛度很低時， 應在檁條之間布置拉條，以充分發揮橫向支撐的功能， 從而有效地解決檁條在安裝和使用時發生的橫向變形和扭轉問題， 提高檁條的整體穩定性。 在實際設計中， 當檁條間距小于4m時， 應進行合理的計算， 以確定拉條的安裝。當檁條跨距大于4m時， 應在檁條跨中設置一條拉條； 當檁條跨越6m或更長時， 應在橫梁跨三分處設置經拉條， 并在檐口布置斜拉條、 撐桿等[7]。 根據8 ～10 mm的要求， 對拉條的直徑進行嚴格控制， 應將荷載、 檁條尺寸等因素考慮在內。

3.7 撐桿設置

采用支撐裝置， 可有效地控制檐檁的上下向橫向彎曲。 根據規范要求， 合理地控制支撐桿的長細比， 通常選用鋼管、 方管、 角鋼等。 目前， 在一些項目中， 也會在鋼管內部安裝拉條， 并在支撐桿上安裝斜拉條。

4 合理確定屋面支撐與柱間支撐

4.1 屋面支撐

通過分析， 屋面支撐一般不會承受很大的外力，應密切考慮允許長細比， 合理地選取桿件截面， 并將拉桿與橫桿相結合， 進行交叉斜撐、 柔性斜撐的科學設計。 根據工程的實際， 可以采用單角鋼[8]。要根據壓桿的要求， 合理地進行無交叉斜桿、 弦桿和直桿的設計， 使用雙角鋼梁。 當門式剛架結構跨度大、 高度大時， 易受風壓力影響， 應根據內力計算的結果， 合理地選擇其截面。 在計算支撐桿件的內力時， 可以假定只受橫向荷載， 而壓桿不再起作用， 拉桿單獨受力。

4.2 柱間支撐

通常， 廠房柱間支撐可分為上部支撐和下部支撐。 在計算上部支撐時， 由于支撐剛度對溫度應力有很大的影響， 所以必須根據柔性拉桿對支撐進行合理的計算。 如果工程中采用小型起重機， 則一般采用圓形鋼材作為底層支撐。 若使用大型起重機，則使用角鋼及槽鋼制造底層支撐。 為確保設備的縱向剛度， 應根據拉桿的不同， 進行合理的交叉斜桿的設計。

4.3 合理設計隅撐

在梁的下部和立柱的內側翼緣之間， 采用隅撐，可以防止發生不穩定。 斜梁的受力變化是導致隅撐安裝的重要因素。 在荷載作用下， 梁的上部翼緣一般會受到壓力， 而檁條與鋼梁之間的連接可以起到很好的穩定作用。 然而， 由于受風吸力的影響， 下翼緣的穩定不能得到有效的保障。 為此， 必須在橫梁的下翼緣加上一根隅撐， 從而起到支撐的作用。

5 門式剛架構件設計

5.1 剛架設計

對于內力計算而言， 采用彈性分析方法， 對門式剛架輕鋼結構進行內力計算。 如果采用塑性法，那么鋼架的梁、 柱都應該是等截面， 而且在進行內力分析時， 應以剛架為平面結構， 以防止產生蒙皮效應[9]。 一般采用桿系單元有限元方法， 在計算機上進行計算。 在此基礎上， 將梁、 柱等按不同的形式劃分為不同的斷面， 以不同的幾何特征作為開放的形式， 或采用楔形單元， 通過底部剪切法進行地震影響分析， 可以選用位移法、 力法等結構力學方法進行校驗修正。

5.2 墻梁設計

墻體梁的斷面形狀通常為冷彎型槽鋼， 也可使用Z型鋼板。 墻梁的自重、 墻體材料、 橫向風荷載均為雙向彎曲。 壁板通常是與檁條連接， 后檁條與鋼柱固定， 墻體的重量最終由鋼柱傳遞到地基上。在使用有槽型斷面的墻梁時， 為了方便墻體和剛架立柱的銜接， 應將槽口放在上面， 而在單一的窗框下緣處， 應將槽口向下放置。 墻梁的布置要盡可能等距， 墻體上沿、 下沿處各有一根橫梁。 為減小豎向荷載作用， 控制墻梁豎向變形， 可以在墻體上加拉條， 最上面的墻梁用斜拉條把拉力傳遞到鋼架柱，其布置原理與檁條基本一致[10]。

6 門式剛架結構工業廠房結構設計中應該注意的幾點內容

6.1 選擇最優化截面

門式剛架結構常用的是實腹梁和柱體， 梁柱截面的變化主要受內力影響， 而截面的存儲往往受變形影響。 腋梁是橫梁的最佳選擇， 其截面組成為最大斷面高度。 在沒有起重機的情況下， 進行施工的輕鋼結構工廠， 柱截面和梁截面之間的關系要協調好， 利用梁、 柱截面間的相互關系進行協調調節，以達到節省鋼材成本的目的。 在剛架截面受變形嚴重影響的情況下， 采用剛架和梁段的連接調整程序，可以得到最小的鋼材用量。 窮竭法是一種常用的方法， 其結果表明， 通過對不同因素的影響， 可以得出不同參數下， 實際截面優化數據的計算次數與鋼材數量的關系。 當某一特定的結構型式設計完成后，由設計者根據構件的內力大小， 對斷面尺寸進行相應的調整。 這種最優截面優點是計算量相對較小，保證構件平面外部穩定問題。

6.2 選擇最優化梁柱節點

在輕門式剛架房中， 梁柱節點一般都是采用端板連接的形式。 在端板的連接方式上， 可以分為三種， 包括端板的豎放、 斜放、 以及平放。 在計算過程中， 主要運用物理學中的自然科學知識進行力學分析， 以闡明平面端板連接形式的剛度較小是其主要的應用理由。 與端板平齊結構相比， 端板端部節點的受力性能更科學、 更合理。 在復雜的計算之后，端板的垂直連接處的剪力和彎矩都很大， 這就導致了相應的變形力的增加， 端板的豎向節點剛度和端板上的節點剛度差距， 隨著軸向的增大， 剪力下降[11]。 在這種情況下， 結構的優勢將會對梁柱節點產生影響， 而且節點的堅固性能也會更好， 從而有效地減少變形的概率。 相對于端板平放式和端板垂直放式， 在梁、 柱截面上具有更大的節點剛度， 但由于這種方式對操作者的技術水平有很高的要求，因此其應用的頻率很低。 在實際工程中， 為了減少結構變形的概率， 增加節點的剛度， 往往采用端板外展式和豎放式。

6.3 選擇合理的柱距

在我國廠房結構設計中， 一般將柱間距系數設定為3m， 其參照值主要來源于工廠內的預制構件。從整體經濟觀點來看， 立柱間距是否合理直接關系到整個項目的設計成敗。 因為鋼材用量是衡量設計質量的重要指標， 而立柱間距又是鋼材用量的主要因素， 因此二者關系密切。 在傳統的設計中， 以預制鋼筋混凝土為主， 而在現代廠房中， 采用輕質層面材料， 并與輕質墻體材料相結合。 這種設計與施工方法， 極大地改變了工廠的結構， 解決了基礎深、蓋重、 柱粗等問題， 采用新的柱距， 減少鋼材的用量。 此外， 在實際的作業中， 鋼材的用量往往與鋼材的規格、 品種和標準化程度有關。

7 結語

隨著時代的發展， 現代化進程的加快， 為了適應新時代的新要求， 建筑規模逐步增大。 在工業廠房的設計中， 常用的門式剛架結構， 其耗鋼量較少，總體重量較輕， 而且成本較低， 能保證整個廠房的質量， 因而被廣泛地采用。 為了有效地保證工廠的質量和使用壽命， 必須對其進行合理的設計。 同時，對結構的支撐系統、 結構布置等進行了全面的分析，對結構設計中的一些細節問題進行改進， 以保證結構設計的穩定性、 安全性、 可行性和經濟性。