輕鋼結構在工業廠房中的應用與設計分析?

摘要：為更好地了解門式剛架輕鋼結構的設計流程，通過對門式鋼架結構體系、計算指標進行簡單介紹，并結合實際工程，以主體結構為主要研究對象進行計算，得到構件在荷載組合下的內力情況、強度、穩定性指標以及在不同荷載作用下的側移情況。經過初步計算可得：構件尺寸滿足強度應力比和平面內、平面外穩定性要求，結構的位移均在限制條件內，為輕鋼結構的設計提供了一般設計流程，并提出相關注意事項，為相似工程設計提供參考。

關鍵詞：輕鋼結構；強度應力比；位移

中圖分類號：TU3 """"""文獻標志碼：A """"""""文章編號：

The Application and Design Analysis of Light-Weight Building in Industrial Building

SONG Dongzhe1， LIU Songpian1， ZHANG Bingquan2x

（1.MMI Planning amp; Engineering Institute IX Co.，Ltd.，Changchun Jilin 130118，China;2.Jilin

Research and Design Institute of Building Science，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract： In order to understand the design process of steel structure of light-weight building， through the introduction of steel structure of light-weight building with gabled frames and computation index. Combined with the actual engineering， the main structure is taken as the main research object to calculate， and the internal force with the component under the load combination， strength and stability index and the lateral displacement under different loads are obtained. After preliminary calculation， it can be concluded that the component size meets the requirements of strength-stress ratio， in-plane and out-of-plane stability， and the displacement of the structure is within the limiting conditions under the load， which provides a general process for the design of light-weight building， and provide some announcements for other project as reference.

Keywords： light-weight building; strength-stress ratio; displacement

0 引言

我國鋼結構的發展經歷了限制期、擴大期、推廣期，直至2000年進入鼎盛時期。輕鋼結構因其美觀、抗震性能好、強度高、質量輕等特點被廣泛使用。諸多學者也對門式剛架的各種性能開展研究[1-3]，深入分析了火、雪等因素對輕鋼結構的影響，從而推動了輕鋼結構的快速發展。2007年，牛保有[4]對輕鋼結構進行優化設計研究，分析了不同參數信息下輕鋼結構的性能；2008年，宋玉華[5]對輕鋼設計計算給出了一般流程，并通過有限元對剛架進行優化分析，達到了初步目標；2012年，陳素娜等[6]對大空間單跨剛架的抗火因素進行了統計分析，為門式剛架的抗火、消防等具有重要參考價值。在廣大學者的積極推進下，更多研究人員將研究內容從整體結構轉向了局部結構[7-9]。

目前對門式剛架輕型結構的研究大多是建立在有限元模擬之上，很少有研究以實際工程為案例予以分析。因此，本文以廣漢市某實際工程為例，采用PKPM對輕鋼結構進行二維平面初步設計，以期為相關工程提供參考。

1 理論介紹

1.1 門式剛架輕鋼結構的組成

1.1.1 基本形式

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》GB 51022—2015[10]指出：門式剛架可分為單跨、多跨、帶挑檐、帶毗屋等形式。

1.1.2 適用條件

結合上述規范與《鋼結構手冊》[11]中對門式剛架的要求，可歸為以下幾點要求。

1） 單跨跨度不宜超過48 m。

2） 當存在A1～A5級橋式吊車時，吊車起重不宜大于20 t，懸掛類吊車不宜超過5 t。

3） 有可靠依據時，可進行合理設計，并對相應規定進行調整。

1.1.3 基本組成

門式剛架輕型房屋主要由主體承重結構和圍護結構組成。

1） 主體承重結構多采用等截面或變截面實腹焊接工字鋼形式。在設計中，考慮到成本因素，常采用變截面形式。各構件間通過高強度螺栓端板連接，因跨度較大時，鋼梁亦采用上述手段進行連接。

2） 圍護結構主要由屋面檁條、墻面檁條、拉條、系桿、屋面支撐及柱間支撐組成。其中，屋面檁條和屋面板共同組成屋面圍護系統承受屋面荷載；墻面檁條和拉條組成墻面圍護系統，主要承受墻板自重和水平方向風荷載。

無論是屋面支撐，還是柱間支撐，其目的均是與剛架形成完整體系，增加結構整體穩定性，提高主剛架的受力性能和結構穩固性。剛架傳力路徑見圖1。

1.2 門式剛架輕鋼結構的計算指標

計算指標主要包含：強度應力、穩定性、位移。其中，應力強度指構件應滿足其抗彎、抗剪、抗壓、抗拉等特性，以滿足結構的整體強度，避免構件發生破壞；穩定性包含平面內穩定性、平面外穩定性，依靠支撐保證結構整體的平穩，避免發生屈曲而產生失穩破壞；位移指構件在荷載作用下發生的水平和豎直位移，該指標在一定程度上直接反映在視覺感官上，因此應嚴格控制位移變化以防止構件發生明顯位移影響結構整體安全。

2 工程實例

為更好地說明門式剛架在廠房中的應用與計算過程，以某工程為實例，對剛架進行算例分析，根據所受荷載情況，初步預設構件尺寸，利用PKPM進行計算，結合結果予以修正，最后給出構件的位移變化。因篇幅限制，本文不對圍護構件、基礎、節點等其他結構組成進行詳細介紹，在此僅給出主體剛架的計算結果和分析，其一般設計流程如圖2所示。

2.1 計算信息

本工程中，主要存在屋面荷載、夾層荷載、風荷載以及雪荷載，詳細信息見表1。地震烈度為7度，0.10 g，設計分組為第一組，場地類別Ⅱ類。計算簡圖見圖3.

2.2 計算結果

2.2.1 構件尺寸、驗算結果

根據上述荷載信息，以初設、驗算、調整為一個循環進行調試，重復循環直至各項計算結果滿足要求，梁、柱尺寸信息見表2～表3。

2.2.2 內力組合

在此工程中，梁、柱內力組合共形成了96種組合，此處不一一列舉，梁柱各給出一組以示內力內容。柱內力組合見表4，梁內力組合見表5。

構件詳細指標見圖4～圖5，由此可知：構件的強度應力指標均滿足規范要求。其中，應力比主要在0.2～0.7，剪應力比主要在0～0.2。該指標在一定程度上反映出構件承載力的使用情況，但在存在夾層、抽柱、托梁等工況時，往往會出現部分構件使用率過小的情況，考慮到在工業廠房中受到工藝布局的限制，會考慮將某些構件尺寸在合理范圍內進行調整。

2.2.4 位移計算結果

在各種荷載作用下，結構會產生橫向和豎向位移。此工程結構構件在荷載作用下產生的位移見圖6～圖7。

由圖6可知：構件在恒、活荷載作用下，整體位移較小，基本維持在2 mm左右；而僅在某一局部位置才產生較大位移，節點8位置位移達到約15 mm。將恒荷載與活荷載的位移變化進行對比，活荷載對結構位移影響更大，因此，在設計前，應充分考慮活荷載的取值，在實際應用時嚴格按照設計方案使用，避免因荷載過大使結構超負荷承重。

由圖7可知：構件在風荷載、地震作用下產生的位移基本呈對稱式分布。其中，結構在風吸力下產生的位移約為3 mm，在風壓力下產生的位移約為-3 mm；在左震作用下位移約為9 mm，右震下約為-9 mm。將風荷載與地震作用產生的位移進行比較，明顯看出在此工程中的地震作用比風荷載對結構產生的位移更大。一般情況下，風荷載是使輕鋼結構產生位移的主要因素，但由于本項目所在場地抗震設防烈度為7度，0.10 g，同時風荷載只有0.30 kN/㎡，故地震作用下的水平位移值大于風荷載作用下的水平位移值。

2.3 設計注意事項分析

1） 設計過程中應注意各項荷載的取值，做到不漏荷載、合理取值。

2） 控制構件尺寸，避免尺寸過大造成用鋼量過大，也間接降低成本；選擇合理的柱距對結構的整體穩定、梁柱尺寸的調整、經濟性有著重要作用。

3） 對于計算結果出現強度超限，可適當調整構件的高度；對于穩定性超限，可增加慣性矩或減少計算長度；對于位移、撓度超限，可增加構件截面、高度；對于長細比超限，可減小計算長度、增大截面。

4） 應根據基本力學假設、理論對計算結果進行人為復核，使結果更可靠、合理。

3 結語

本文以實際工程為例，進行輕鋼結構的設計分析，并提出一些注意事項，主要得出如下結論。

1） 系統介紹了輕鋼的基本形式、受力途徑、結構組成、設計流程，可為相關人員提供參考。

2） 通過工程實例，結合計算結果，本次設計最大應力比達到0.7；最大位移為15 mm；此工程中因地震作用而產生的位移影響強于風荷載的影響；結構整體穩定性、各項指標均符合設計要求。

3） 提出設計時應注意的一些問題和針對計算結果的解決辦法，對解決類似的實際工程有一定參考意義。

參 考 文 獻

[1]饒芝英，童根樹.變截面門式剛架的平面內彈性穩定計算[J].建筑結構，2000（4）：8-11.

[2]荊軍，石永久.節點剛度對輕型門式剛架結構設計的影響[J].工業建筑，2000（5）：58-61.

[3]樸明旭.輕型鋼結構的特點及其在工程上的應用[J].鋼結構，2000（3）：38-40.

[4]牛保有.輕型門式剛架鋼結構的優化設計分析[D].西安：西安建筑科技大學，2007.

[5]宋玉華.輕型門式剛架結構的優化設計及其參數分析[D].成都：西南交通大學，2008.

[6]陳素娜，姚斌，易蕾.大空間單跨門式剛架結構抗火性能影響因素的客觀權重研究[J].防災減災工程學報，2012，32（2）：223-229.

[7]韓巖.冷彎薄壁型鋼梁柱節點性能研究[D].上海：上海交通大學，2016.

[8]鄭君，張曉東，薛建偉，等.輕鋼門式剛架節點抗震性能模擬分析與研究[J].鋼結構，2017，32（1）：69-74.

[9]李軍軍，劉祖海，王建國，等.增強門式剛架節點剛度的研究[J].建筑結構，2018，48（4）：61-63，99.

[10]中華人民共和國住房和城鄉建設部.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范：GB 51022—2015[S].北京，中國建筑工業出版社，2015.

[11]但澤義，柴昶，李國強，等.鋼結構手冊第四版[M].北京，中國建筑工業出版社，2018：472-477.

編輯：楊洋