廠房建筑中的輕型門式剛架結構設計

鄭志穎

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著結構設計領域的快速發展，門式剛架結構得到了越來越廣泛的應用。相比于其他結構形式而言，門式剛架結構的質量輕、施工周期短、應用效果好，目前在廠房建筑中得到了廣泛的應用。因此，相關人員要加強對這一結構形式的研究，不斷提高設計水平，促進建筑行業的健康穩定發展。

1 輕型門式剛架結構特點

現階段，我國在輕型門式剛架結構的設計、制造與施工方面取得了顯著的成就，在開展單層廠房或倉庫類建筑施工時，傳統的鋼筋混凝土結構逐漸被取代，主要是由于輕型門式剛架結構具有以下5 個方面的特點與優勢：①質量輕。調查數據顯示，單層輕型門式剛架結構的用鋼量可以低至到10～30kg/m2。在跨度、荷載相同的條件下，如果采用鋼筋混凝土結構，那么用鋼量將達到200～900kg/m2。②施工簡便且時間較短。隨著制造工藝與施工工藝的不斷成熟，門式剛架結構施工時只需要利用相關的構件進行組裝，大大提高了施工速度，可以在短時間內安裝完成。③經濟效益高。設計過程中，結構構件和節點的標準化程度高，因而相較鋼筋混凝土結構，能縮短周期。同時，由于制造材料單一，因而可以提高制造環節的自動化水平，使得周期大大縮短。當設計工作結束之后，將構件運輸到施工場地進行拼裝。施工期間占用的場地面積較少，運輸環節也較為便利，因而經濟效益較高[1]。④柱網的布置形式較為靈活。柱間距離應當根據具體的承重荷載進行確定，在保證安全的條件下，能夠有效的節省材料。⑤由于施工期間使用的材料主要以鋼材為主，如果做好相應的防腐處理，可以實現材料的循環使用，進而降低了工程建設成本，同時也符合可持續發展的理念，對促進建筑行業的可持續發展有著重要的意義。

2 結構形式與結構布置

2.1 結構形式

實際工程中，對于門式剛架結構的設計與應用，應當與工程的實際情況緊密結合。根據工程的實際需要，可以采用單跨、雙跨與多跨的結構形式。此外，如果按照屋面坡脊數對其劃分，可以細分為3 種不同的結構形式：單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡，屋面坡度通常將控制在1/20～1/8。因為門式剛架結構的形式、種類較為多樣，設計時的選擇余地也較多。如果建筑內凈高要求不大（即剛架柱高度不大），且風荷載影響不顯著時，中柱設計可以采用兩端鉸接的搖擺柱，在節省鋼材的同時還能兼顧安全性方面的要求[2]。

2.2 結構布置

為提高門式剛架結構的安全性、可靠性與穩定性，在廠房結構設計期間應當做好結構布置，結合建筑的實際情況與需求，首先要做好縱向溫度分析。通常情況下，縱向溫度區域范圍主要在300m 之內，橫向大多不會超過150m。出于經濟型考慮，柱距控制在6～7.5m，必要時可按9m 設計。至于跨度的選擇，可以根據建筑需求，將跨度合理控制在9～36m，更大跨度的結構是否仍適用門式剛架結構，還需要具體情況具體分析。

3 輕型門式剛架結構設計要點

在開展結構設計時，應重點從荷載選擇、剛架設計、檁條和墻梁設計等方面開展工作。

3.1 荷載選擇

3.1.1 永久荷載

永久荷載應當依據實際情況取值，不應過大或過小。取值過大，則實際屋面并沒有這些荷載，而這些荷載對抵抗向上的風吸力是有利的，從而會導致結構偏于不安全。取值過小，則導致實際屋面無法有效承受豎向荷載。另外，根據建筑所處城市、使用功能的不同，屋面圍護結構做法不同會導致重量存在差異，設計時應具體考慮，不應一概而論。

3.1.2 可變荷載

可變荷載是受到外界環境等因素的影響而導致的。例如，屋面上人荷載、檢修荷載、雪荷載、地震作用等因素，都將影響到可變荷載。在進行可變荷載的取值時，應當結合實際的建筑對象，重點做好使用量的計算。

在以往的設計中，如果荷載面積超過了60m2，那么可將這一數值調整為0.3kN/m2來設計。2022 年1 月1 日起實施的《工程結構通用規范》中，明確了無論何種建筑，不上人屋面的最小活荷載應按0.5kN/m2取值[3]。該條文將對現有的門式剛架結構設計產生較為復雜的影響，總體而言會提高結構的可靠性，同時也會一定程度增加該類結構的用鋼量，影響經濟性。

另外，隨著環保節能意識的提升，越來越多的門式剛架結構廠房、倉庫等建筑，會考慮在屋面設置光伏發電系統，以滿足《建筑節能與可再生能源利用通用規范》的要求。設計時應充分了解建設單位的需求，以便選擇準確的荷載，既要保證建筑的安全性，也要保證建筑的經濟性。

3.1.3 荷載組合

荷載組合對于結構設計有著重要的影響，一旦組合方式出現問題，將直接影響到結構的安全性與穩定性。因此，設計期間應當結合相關規范與標準，對不同類型的荷載情況做出合理有效的組合，提高結構的穩定性與安全性[4]。

門式剛架結構屬于輕型鋼結構，自重輕，地震時吸收的地震力很小，幾乎不構成控制構件設計的主要因素。真正對門式剛架設計產生控制性影響的往往是風荷載。橫風吹過帶坡度的門式剛架屋頂時，會對結構產生一個向上的力，而門式剛架結構自重輕，無法利用自身重量壓制該風吸力，導致柱腳會產生拉力，這是混凝土結構的房屋從來無須考慮的問題，故很多設計人員往往容易忽視這種拉力對柱腳設計的不利影響。

由于鋼柱通常不會直接連接在基礎上，而是通過一節混凝土短柱來連接鋼柱和基礎，因此，即便鋼柱柱腳按鉸接設計，其水平剪力作用于混凝土短柱上，仍然會對基礎產生一個彎矩。當該水平剪力足夠大，或者基礎埋深較深導致混凝土短柱過長時，該傳遞到基礎的彎矩將不容忽視，甚至導致獨立基礎產生過大的脫空比，影響結構安全。

在門式剛架的設計中，應該重視風荷載對結構的影響，嚴格按照規范以及實際情況進行荷載施加，以確保荷載組合準確無誤，起到指導設計的作用。

3.2 結構分析

目前主流的結構分析軟件對門式剛架結構主要采用的是彈性分析方法。由于門式剛架結構的受力明確，結構形式簡單，該方法可以較為快速地對結構內力做出合理的、能夠指導設計的分析結果，因此被廣大結構設計人員所采用，且能夠經得住實際工程的考驗。

3.2.1 主剛架設計

剛架設計時，主要使用Q235B 或Q355B 級鋼材。針對實腹式剛架梁，設計時可以取跨度的1/45～1/30。Q355B 的強度大約為Q235B 的1.5 倍，而兩種鋼號的價格差距通常在10%左右，遠小于強度的差距。可以很容易地看出，Q355B 是主剛架設計時更為合理的選擇。利用PKPM 等結構分析軟件對同一結構布置進行試算，將鋼柱、鋼梁的應力比均控制在0.95 以內，分別采用Q235B 和Q355B 兩種鋼材，可以看出Q355B 的用鋼量有顯著的減少，這也證實了我們前面的分析，Q355B鋼材更為經濟。

3.2.2 檁條和墻梁設計

門式剛架結構的檁條和墻梁通常使用C 型、Z 型鋼。開展設計時，應重點關注風荷載的影響。對于門式剛架結構設計而言，檁條和墻梁設計期間應當考慮風荷載的影響，確保其在受到風吸力的作用下能夠保持安全狀態。由于實際工程中，檁條和墻梁上通常會存在用于安裝固定的孔位，削弱截面強度，因而在進行檁條的計算時，應當采用有效截面進行計算[5]。

3.2.3 節點設計

對于梁與梁分段點的選擇，應當從受力與運輸兩個角度進行考慮。針對柱之間的梁，為改善受力情況，可采用1:2:1 分段設計的方式。其中，中間受力較小的一段，可以將其設計為等截面梁的形式，兩端位置可以設計為楔形梁的形式。考慮到運輸成本，單節鋼構件的長度最好控制在12m 以內。

4 案例分析

4.1 工程概況

某鋼結構廠房建設期間，經過方案對比最終決定采用輕型門式剛架結構體系。該廠房建筑的內部空間相對較大，長度為90m，寬度為50m。主剛架擬采用焊接H 型鋼，鋼板的表面進行鍍鋅處理。廠房預計使用50 年，抗震設防烈度為Ⅶ度，結構的安全等級為二級。

4.2 結構設計

在開展廠房建筑結構設計工作時，主要從剛架設計、支撐設計、圍護結構設計以及節點設計等幾個方面著手進行。

（1）主剛架設計。主剛架采用的是兩跨的形式，即雙跨門式剛架結構。每一跨的跨度尺寸為25m，柱距設計為7.5m。主剛架主要由剛架梁、邊柱以及中柱3 個部分構成。邊柱的下端采用鉸接的方式，上端和剛架梁進行剛接處理。由于當地風荷載不大，故中柱的兩端均采用鉸接的方式，即搖擺柱。前期設計時，通過對該結構的彎矩分布情況的分析，邊柱與剛架梁可采用變截面楔形構件，彎矩較大的位置采用截面高度較大的一端，另一端則反之。這一設計方式能起到節約鋼材的作用。結合門式剛架結構的實際受力情況，由于平面范圍內通常是較大跨度，對邊柱、梁的剛度要求較高，因此，采用焊接H 型鋼截面形式，強軸設置在面內，以發揮H 型鋼截面最大的優勢[6]。此外，中柱采用的是搖擺柱，僅受軸向壓力作用，因此只需要滿足長細比和壓桿穩定性的要求即可，能減少用鋼量。

（2）側向支撐系統設計。相鄰兩榀剛架之間采用圓管截面系桿進行支撐。由于系桿與剛架之間的連接通常為鉸接，若只靠系桿，那么結構支撐體系是不完整的，從概念上來說，至少需要在其中兩榀剛架之間，增設十字斜撐，以使這兩榀剛架連同系桿、斜撐形成桁架，作為結構抗側力構件。柱間支撐對門式剛架結構的影響如圖1 所示。在實際設計中，通常不會只在其中兩榀剛架設置十字斜撐，一般在首尾的第一或第二個柱距范圍內設置，中間則按45m 設置一道。

圖1 柱間支撐對門式剛架結構的影響

（3）屋面檁條設計。采用的檁條的跨度為7.5m，使用了Z 形的型鋼檁條。將整個檁條分為3 段，每個3 分點位置處，分別設置了1 道拉條。其中，拉條的直徑為12mm，采用的是圓鋼材料。此外，在屋脊和檐口的位置設計剛性撐桿，在原有12mm 拉條的外面增設了截面尺寸為φ32mm×2.0mm 圓管。為了提高鋼梁下翼緣的穩定性，在每間隔1 道屋面檁條的位置，分別設置一道隅撐。該處采用的為連續檁條，優點是節約鋼材，缺點是安裝工藝復雜。雖然連續檁條之間需要搭接，且螺栓須采用高強螺栓，但連續檁條能將彎矩傳遞到相鄰檁條，受力更為合理可靠，能充分利用構件的強度，起到節約鋼材的目的。如果設計時希望安裝方便，節約工期，則可以考慮設計為簡支檁條。采用簡支檁條時一般選取C 形的型鋼檁條，有利于安裝，但用鋼量較高。

（4）抗風柱及墻梁設計。抗風柱采用焊接H 型鋼，柱腳鉸接，柱頂與鋼梁采用滑動支座連接，以避免鋼梁由于豎向變形對抗風柱的壓力導致的附加應力。實際設計中通常采用開長圓孔加安裝螺栓的方式，或者采用簧片連接。墻梁設計類似于屋面檁條設計，此處不再贅述。

（5）節點設計。在門式剛架結構中，鋼柱柱腳通常采用鉸接，剛架斜梁與柱之間一般使用端板豎放的方式，少數為了安裝方便可采用端板橫放。端板兩側間采用高強螺栓進行緊密的連接。檁條或墻梁通常與預先焊在鋼柱或鋼梁上的檁托連接，若采用連續檁條，則應該采用高強螺栓連接，簡支檁條則可以采用普通安裝螺栓。

5 結語

輕型門式剛架結構由于自重輕、施工便利，且有著良好的經濟性，因而在目前的廠房建筑設計、施工中有著較為廣泛的應用。在開展結構設計工作時，首先要對廠房建筑的實際需求做出分析，結合具體情況，選用合理的結構形式。其次，設計人員應重點做好結構形式與結構布置工作。具體設計中，應嚴格控制對荷載的選擇，并落實對剛架的節點、檁條以及柱、梁的設計，同時還要注重墻梁、圍護結構的設計質量。