淺談門式剛架輕型鋼結構設計過程

張華

0 引言

相對于普通鋼結構，輕型門式鋼結構采用了輕型材料，自重較輕，一般情況下地震作用不控制設計，材質均勻，應力計算準確可靠，經濟指標較好，主鋼結構的造價相對較低，圍護板采用壓型鋼板，通過一定方式固定在檁條或者墻梁這樣的次結構上，兩者的結合使壓型鋼板在其平面內具有很好的蒙皮抗剪強度，與次結構連接后具有較好的空間整體性和穩定能力;另外，在制作過程中工業化生產程度高，施工速度快，對環境的污染小，因此受到建設單位的普遍歡迎。在方案及施工圖設計階段，一般可分為如下幾部分。

1 確定結構形式，選擇經濟的設計方案

CECS 102-2002中規定門式剛架輕型鋼結構房屋的縱向溫度區段不大于300 m，橫向溫度區段不大于150 m，當超過此規定時，應設置伸縮縫。當遇到超長、超寬的輕鋼結構時，不僅應設置伸縮縫和相應的支撐加強房屋的整體剛度，還應注意考慮屋面排水要求(屋面坡度不應小于5%)，防止屋面板長度過長引起的滲漏問題以及房屋通風采光問題。

通常的經濟用鋼跨度和剛架間距，是僅從總用鋼量最少的角度來討論的。無橋式吊車和懸掛吊車時，剛架的經濟跨度約為21 m～24 m，大于36 m就不經濟了;當有橋式吊車時，其經濟跨度大概在30 m～34 m之間。有橋式吊車時的經濟跨度反而大于無橋式吊車時的經濟跨度，主要是因為吊車梁的用鋼量在主結構(剛架與吊車梁)中所占比重隨剛架跨度增加而減少。門式剛架的間距通常采用6 m，7.5 m，9 m，12 m等，大跨度剛架宜采用大間距，跨度與間距的比一般以3.5～5為宜。無橋式吊車時，剛架間距以7.5 m～9 m為宜，有橋式吊車或較大的懸掛荷載的單層門式剛架，剛架間距以6 m～7.5 m為宜。

2 根據體系特征進行支撐布置

門式剛架是一種平面受力結構形式，只能抵抗平面內的各種荷載作用。剛架平面外的荷載需要靠各種支撐體系去解決，這就需要合理的布置屋蓋橫向水平支撐和柱間支撐，支撐與剛架連在一起組成空間穩定的建筑體系結構，并解決剛架構件平面外剛度和穩定的問題。支撐的布置應注意以下幾點：

1)橫向水平支撐宜布置在每一個溫度區段兩端的第一開間內，若考慮將氣樓、天窗的端部支撐布置在同一開間內，可將橫向水平支撐移至第二個開間，但必須將所有支撐點對應的第一開間的縱向系桿設計成傳力的剛性系桿;

2)屋蓋橫向水平支撐與柱間支撐宜設在同一開間，如因開門洞等原因，柱間支撐不能與屋蓋橫向水平支撐同處一開間，可移至相鄰開間，在其偏移的開間處增設一較強的剛性系桿使屋蓋水平力得以順利通過柱間支撐傳至基礎;

3)若各區間的屋面不在同一高度，為保證每個高度的屋面區域形成獨立的平面剛體，應針對每個高度的屋面區域分別設置橫向水平支撐;

4)不同剛度的支撐不應處于同一縱向柱列中。支撐有幾種常用的形式，首先，交叉式支撐這種形式最為經濟合理;其次，為人字撐，但此時斜桿按壓桿設計，需考慮穩定，因此用鋼量增加;若設置支撐的開間大，可將壓彎構件設計成桁架式;若無斜桿，則是完全的門式支撐，此時要靠梁—柱剛性連接構成受力體系，即依靠節點的抗剪切構成支撐的剛度，此時構件變形最大，剛度最低，用鋼量最大，應避免使用。

當吊車噸位較大、橫向位移要求較嚴、剛架平面內剛度突變、剛架柱間設有墻架柱或者近海、臺風區、超高、超大跨度剛架、建筑平面不規則、剛架間距過大等情況時，要綜合情況考慮設置屋蓋橫向及縱向水平支撐。

3 主要構件截面初估

支撐布置結束后，需對剛架截面作初步的估算，鋼梁可以選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼等截面。根據荷載與支座的情況，其截面高度通常為跨度的1/20～1/50;翼緣的寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁整體穩定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。

柱截面按長細比預估，通常50＜λ＜150，簡單選擇值在100附近。在鋼柱的計算長度選擇上，經常需考慮到外部其他結構對鋼柱的平面外約束作用。比如說四周采用磚墻圍護墻的結構，有的設計者考慮到圈梁里的拉結筋和鋼柱外皮焊接固定，屬可靠連接，故可以作為鋼柱的平面外支點，但實際工程中卻很難達到理想狀態，原因有兩點：1)即使混凝土圈梁對鋼柱有約束作用，其作用點一般在鋼柱的外皮，而鋼柱主要是內側受壓，故效果不佳;2)因圍護磚墻、混凝土和鋼構件屬于完全不同的材料，在荷載最不利情況下，磚墻、混凝土可能會較早開裂，使鋼柱失去側向約束，最終引起平面外失穩。因此，應盡量采用設置柱間系桿的方式來減少柱平面外計算長度。

4 結構分析及構件優化

目前通常的輕鋼門式結構分析方法為線彈性分析法。眾多的結構分析軟件為精確的分析模型提供了便利條件。構件設計優化時應根據結果文件的輸出做工程判定，首先考慮材料的選擇。目前門鋼中常用的是Q235和Q345(類似16Mn)材質，通常主結構采用同一材質便于工程管理，建模分析時，可根據起控制作用的因素選擇，強度起控制作用時，采用Q345，穩定起控制作用時，采用Q235。當工程出于經濟考慮時，也可選擇不同強度鋼材的組合截面。

構件細部優化時，可參照圖形文件輸出結果。如可以根據彎矩包絡圖確定變截面的分布;剪力圖控制腹板高度;根據撓度和位移圖可選擇增加梁柱截面高度來限制變形等。當構件強度超限時，通常加大組成截面的板件厚度，其中抗彎強度不滿足加大翼緣厚度，抗剪強度不滿足加大腹板厚度;當變形超限時，出于經濟，通常考慮加大截面高度而不是厚度;當腹板高厚比不滿足時，根據規范增加構造措施達到要求。若整體結構的強度、穩定等多方面超限，則應根據工程實際情況選擇修改模型重新分析。

5 主結構節點及圍護構件設計

按照傳力的特性不同，節點分為剛接、鉸接和半剛接，因剛接與半剛接的界限不易區分，初學者可以選擇能簡單定量分析的剛接與鉸接兩種形式。在結構設計前，就應對節點形式做充分的思考和確定，保證結構中的節點連接的使用形式與結構分析時一致。另外，節點的設計還宜綜合考慮制造工廠的工藝水平及現場安裝定位方便等因素。

主體結構設計完成后，進入到支撐體系及圍護構件的設計，一般簡稱為次構件設計。次構件一般為受力單一的簡單構件，可借助軟件工具，亦可通過手算進行分析。

6 圖紙的編制

鋼結構圖紙的編制分為設計圖和施工圖兩個階段。設計圖為設計單位編制;施工圖通常由制造公司根據設計圖編制。設計圖是加工圖編制的依據，在滿足規范要求時還應盡量完整;對設計依據、荷載資料(包括地震作用)、技術數據、材料選用及材質要求(包括制造和安裝、焊縫質量檢驗等級、涂裝及運輸等)也要表示清楚。

［1］ 陳友泉，魏潮文.門式鋼架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋義［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009：33，66.

［2］ 陳紹蕃.鋼結構穩定設計指南［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［3］ 戴素娟，李海娟.門式剛架輕型鋼結構中支撐優化設計探討［J］.山西建筑，2010，36(15)：37-38.