門式剛架輕型房屋鋼結構設計淺談與用鋼量分析

黃宇峰

機械工業第四設計研究院，河南 洛陽 471039

0 引言

門式剛架輕鋼結構是指具有輕型屋蓋和輕型外墻的單層實腹門式剛架結構，這里的輕型主要是指圍護是用輕質材料（也可以有條件采用砌體外墻）。門式剛架輕型房屋鋼結構是近十年來在我國迅速發展起來的一種新型結構體系，被廣泛應用于工業廠房、倉庫等眾多的工業和民用建筑中。此種結構形式具有許多優點，如：大跨度、大空間能滿足業主在空間上的要求；自重輕，地震作用小，抗震性能好；施工速度快、周期短能滿足業主工程建設時間緊的要求。總之門式剛架輕型房屋鋼結構這一新型結構形式有許多優點，近些年來在我國取得了廣泛的應用。針對這一情況2002年國家專門頒布了《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102：2002）來指導門式剛架輕型房屋鋼結構的設計與應用，為其迅猛發展創造了有利條件。

1 門式剛架輕型房屋鋼結構設計中應注意的問題

1.1 適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》1.0.2規定其僅適用于單跨或多跨實腹式門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或起重量不大于20t的A1～A5控制級別的橋式吊車或3t的懸掛式起重機的單層房屋鋼結構。此條規定從結構形式、屋蓋、墻面、吊車噸位、層數、材料等六方面規定了技術規程的適用范圍。注意，砌體外墻不屬于輕型外墻，但在抗震設防烈度低于9度的地區內也可以采用。

1.2 鋼材材質的選取

門式剛架最常用的兩種鋼材為Q235B和Q345B兩種牌號的鋼材。這兩種鋼材物理性能指標一致，市場價格相差不大，其力學性能卻差別很大，最顯著的差別在于其屈服點的高低。通常有兩種情形下可選用Q235B鋼。一是結構跨度、荷載并不大，構件的最大應力小于Q235B的容許應力，一是結構對變形要求較高（如梁有吊頂等），或者構件的撓度較大而超限，此時對構件尺寸起控制因素的并不是構件的強度，而是結構的撓度，此時采用Q235鋼可能會取得更好的經濟效益。

1.3 荷載取值

門式剛架設計時，通常剛架的受荷水平投影面積≥60m2，故屋面均布活荷載標準值可取為0.3Kn/m2。但應注意在計算屋面檁條的強度、穩定時，屋面均布活荷載標準值依然要取為0.5Kn/m2。且屋面均布活荷載與雪荷載不應同時考慮，二者取大值即可。對于風荷載由于門式剛架自重輕，整體性相對較差，對風荷載作用較敏感，且各構件對風荷載作用的敏感性也不同。《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》按不同構件分為剛架、檁條等5類，分別給出了不同的風荷載體型系數。這些體型系數與《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）給出的體型系數有較大差別，這在設計中應予以充分重視。由于門式剛架多為坡屋面，易積雪，剛架轉角處檁條應加密布置，以應對屋面積雪不均勻分布情況。

1.4 主剛架計算

主剛架通常由邊柱、中柱和斜梁組成。邊柱和斜梁一般根據彎矩包絡圖的形狀設計成變截面以達到節約材料的目的。中柱以承受軸力為主，一般采用等截面。變截面剛架分析一般采用彈性分析方法。剛架斜梁的平面外計算長度應取側向支撐點間的距離。當斜梁的上翼緣受壓時，上翼緣上連接的檁條可視為其側向支撐點。當斜梁下翼緣受壓時，必須在受壓下翼緣側面布置隅撐，作為斜梁的平面外側向支撐，隅撐另一端連接在檁條上。通常在考慮鋼柱平面外計算長度時，柱腳均按鉸接考慮。這是因為即使是剛接柱腳，其平面內的抗彎剛度要遠高于其平面外的抗彎剛度，為安全計一般均認為平面外屬于鉸接。剛架柱頂一般設有系桿，縱向設有柱間支撐，因此，可將柱頂結點視為無側移的鉸接結點。

1.5 支撐體系

門式剛架結構中支撐體系對保證結構的整體安全至關重要。在實際工程很少有因為強度不夠造成結構坍塌的，但是因為支撐體系設置不夠或不合理而造成的結構失穩破壞倒是屢見不鮮。在設置支撐時，應注意在設置柱間支撐的開間，宜同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。對設置有5t及以上的吊車時，柱間支撐不能采用圓鋼拉條，而必須采用型鋼支撐。屋蓋橫向支撐應設置在溫度區間端部的第一個或第二個開間，當設置在第二個區間時，在第一開間內相應位置設置剛性系桿，以保證荷載能傳至屋蓋的橫向支撐。

2 用鋼量分析

通過總結最近幾年筆者所設計的幾個典型的門式剛架，計算其用鋼量，分析門式剛架結構用鋼量的影響因素，總結規律，詳見表1。

工程地點恒、活荷載(kn·m2)風荷載(kn·m2)吊車情況抗震設防烈度跨度(m)柱距(m)單 榀主 剛架 重量（kg）主剛架用鋼量(kg/m2)荷載/用鋼量墻檁用鋼量(kg/m2)屋檁用鋼量(kg/m2)山東聊城0.30.35 0.4510 t中級 7° 2X18+21 7.55607 13.1 4.965.074.7

表1 門式剛架用鋼量分析表

不同荷載情況下，門式剛架會有不同的用鋼量。為了衡量不同荷載情況下的門式剛架的用鋼量，建議采用荷載/用鋼量這一指標來比較。所謂荷載/用鋼量是指豎向均布部恒、活荷載標準值相加后與主剛架每平米用鋼量的比值。其含義是每平米用鋼量可承受的豎向荷載，這是衡量設計是否經濟合理的重要指標。

2.1 平面布置對荷載/用鋼量的影響

門式剛架的平面布置合理與否對門式剛架結構用鋼量起決定性作用。平面布置對用鋼量的影響體現柱距、跨度、柱腳形式等方面。當柱距為7～9m時，剛架的用鋼量基本穩定，荷載/用鋼量大致在5～6之間。當柱距小于7m時，隨著柱距的增加，用鋼量在減小；當柱距超過9m時，每平米用鋼量略有減小，但此時圍護結構、吊車梁、支撐等的用鋼量明顯增加，兩者相抵后，總用鋼量反而是增加的。故門式剛架存在一個最優柱距，按筆者設計體驗，此最優柱距在7～9m，隨豎向荷載大小而變，用鋼量以其成反比關系。門式剛架的合理跨度在18～36m，跨度過小鋼材性能發揮不出來，跨度太大導致截面增大，用鋼量不經濟。若屋面梁下有懸掛吊車或者屋面荷載較大，則用鋼量對跨度的敏感性會大大增強。中柱柱腳、柱頂多采用鉸接，這樣使中柱只受軸力也能降低用鋼量。

2.2 風荷載、吊車荷載對荷載/用鋼量的影響

門式剛架輕型房屋鋼結構由于自重輕、豎向荷載小，所以受風荷載影響明顯，剛架截面尺寸大小在絕大多數情況取決于風荷載。從表一可以看出，當風荷載為0.45Kn/m2時，其荷載/用鋼量約為5；當風荷載為0.35Kn/m2時，其荷載/用鋼量為5.5～6。隨著風荷載的減小，荷載/用鋼量數值明顯上升。吊車荷載對荷載/用鋼量的影響在吊車荷載較小時并不明顯，只有當吊車荷載超過一定數值后，才會明顯影響剛架的荷載/用鋼量，吊車荷載的影響多體現在吊車梁的用鋼量上。門式剛架由于自重輕、地震作用比較小，因而在絕大多數情況門式剛架的抗震設防烈度不會成為用鋼量的決定性因素，除非設置有噸位較大的吊車或者屋面有較大的懸掛荷載。

3 結論

門式剛架輕型房屋鋼結構在設計時應注意其適用范圍、材料、荷載、計算長度及支撐的設置。門式剛架的用鋼量與荷載有密切的關系，其荷載/用鋼量影響因素有結構的平面布置（如柱距、跨度、柱腳連接方式等）、風荷載、吊車荷載、抗震設防烈度等。

[1]CECS102：2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程.北京：中國計劃出版社，2003.

[2]何敏.輕型門式剛架廠房設計中若干問題的探討.福建建設科技，2009（1）.

[3]王世鋼，曲鍍，沈強.單層門式剛架廠房設計分析.建筑設計管理，2009（2）.