門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)心得

【摘 要】本文簡(jiǎn)單介紹了鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及一些設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題，供設(shè)計(jì)參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；門(mén)式剛架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用日趨廣泛。梁、柱節(jié)點(diǎn)為剛性連接的門(mén)式剛架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、剛度良好、受力合理、使用空間大及施工方便等特點(diǎn)，并便于工廠(chǎng)化、商品化的制品生產(chǎn)，與輕鋼維護(hù)材料相配套的輕型鋼結(jié)構(gòu)框架體系已廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。下面就門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的一些問(wèn)題談一些體會(huì)。

1. 鋼材選型

（1）為保證承重結(jié)構(gòu)的承載力和防止在一定條件下出現(xiàn)脆性破壞，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、鋼材厚度和工作環(huán)境等因素綜合考慮，選用合適的鋼材牌號(hào)和材性。承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。

（2）一般來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件宜采用Q235B及以上等級(jí)的碳素結(jié)構(gòu)鋼和Q345B及以上等級(jí)的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)的鋼材由于不能保證沖擊韌性和延性性能，所以不能用于低溫環(huán)境和動(dòng)荷載較大的結(jié)構(gòu)。Q235A級(jí)鋼由于無(wú)碳、錳、硅含量保證，所以一般無(wú)法保證其可焊性。如果選用Q235A，要附加冷彎試驗(yàn)合格的保證，并且要根據(jù)質(zhì)保書(shū)核算碳含量是否滿(mǎn)足《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ81-91)的要求，為可靠起見(jiàn)，板材厚度一般不宜超過(guò)16mm。 當(dāng)焊接鋼結(jié)構(gòu)的鋼板厚度等于或大于40mm且承受沿板厚度方向的拉力時(shí)，為防止層狀撕裂，還應(yīng)保證含硫量和斷面收縮率不低于Z15級(jí)的要求。

2. 焊接

在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中，焊接連接已成為鋼結(jié)構(gòu)最基本的連接方法，焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到結(jié)構(gòu)安全。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)：

（1）便于焊接操作，避免仰焊位置施焊。

（2）采用剛度較小的節(jié)點(diǎn)形式，避免焊縫密集和雙向、三向相交。

（3）焊縫位置避開(kāi)高應(yīng)力區(qū)。

2.2 在焊接材料的選擇方面，為了經(jīng)濟(jì)合理，焊接材料應(yīng)與構(gòu)件鋼材相匹配，使焊縫金屬與母材的力學(xué)性能基本一致。說(shuō)明焊條時(shí)無(wú)需標(biāo)明焊條的具體牌號(hào)(如E4301、E4315)，其具體牌號(hào)是由焊接工藝所決定的，設(shè)計(jì)者只需根據(jù)母材的種類(lèi)選擇與其匹配的相同強(qiáng)度等級(jí)的焊條即可。例如手工電弧焊，當(dāng)焊接Q235鋼構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采用E43系列焊條；當(dāng)焊接Q345鋼構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采用E50系列焊條；。當(dāng)焊接Q390、Q420鋼構(gòu)件時(shí)，應(yīng)采用E55系列焊條。

2.3 當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件的母材和焊接材料選定以后，就需要確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。在《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2001)中將焊縫質(zhì)量等級(jí)分為三個(gè)等級(jí)，如果經(jīng)過(guò)檢查，焊縫缺陷不超過(guò)所要求的級(jí)別的各項(xiàng)規(guī)定，則說(shuō)明焊接過(guò)程中的焊接缺陷得到了控制。對(duì)于建筑鋼結(jié)構(gòu)，焊縫質(zhì)量要達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。在實(shí)際工程中，除了大跨度重級(jí)工作制吊車(chē)梁的下翼緣對(duì)接，以及大跨度鋼橋的受拉構(gòu)件的對(duì)接等對(duì)質(zhì)量要求很高的焊縫要求一級(jí)焊縫以外，其他場(chǎng)合很少用到一級(jí)焊縫。通常，板材的對(duì)接焊縫、承受動(dòng)力荷載構(gòu)件的較重要的焊縫、需作疲勞驗(yàn)算的焊縫以及須與鋼材等強(qiáng)的受拉、受彎對(duì)接焊縫(如梁柱及其連接節(jié)點(diǎn)的對(duì)接焊縫，工字形截面與其端板的對(duì)接焊縫)，其焊縫均應(yīng)采用坡口全熔透對(duì)接焊縫，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。對(duì)于角焊縫，除了在要求熔透的情況下(如對(duì)于輪壓較大的吊車(chē)梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫)焊縫質(zhì)量等級(jí)要求二級(jí)外，其他情況一般是三級(jí)。

3. 螺栓

在設(shè)計(jì)說(shuō)明中只需給出高強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)和連接面的抗滑移系數(shù)即可，不必規(guī)定是承壓型高強(qiáng)度螺栓或摩擦型高強(qiáng)度螺栓。承壓型和摩擦型是螺栓連接的兩種力學(xué)模型，與螺栓種類(lèi)沒(méi)有關(guān)系。高強(qiáng)度螺栓按性能等級(jí)分為8.8級(jí)和10.9級(jí)。當(dāng)然，如有必要，可以推薦用大六角頭高強(qiáng)度螺栓，或是扭剪型高強(qiáng)度螺栓。目前高強(qiáng)度螺栓的連接多用摩擦型連接，這種連接的優(yōu)點(diǎn)是連接節(jié)點(diǎn)的剛度大。承壓型連接的連接節(jié)點(diǎn)由于剪力大于摩擦阻力后螺栓將產(chǎn)生滑移，不宜用于震動(dòng)荷載。

4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 當(dāng)工業(yè)廠(chǎng)房?jī)?nèi)設(shè)有梁式或橋式吊車(chē)時(shí)，應(yīng)選用剛接柱腳剛架，此時(shí)，剛架柱宜采用不變截面柱或階形柱。當(dāng)采用鉸接柱腳剛架時(shí)，為美觀及節(jié)約用材，宜采用漸變截面楔形柱。剛架梁截面高度一般可按跨度的1/30～1/40確定。當(dāng)剛架跨度較 大時(shí)，剛架梁也可采用變截面構(gòu)造。剛架柱截面高度一般可與梁相同采用。對(duì)于大跨度的結(jié)構(gòu)，鋼梁一般要分為3～4段，并用高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場(chǎng)拼接。分段時(shí)應(yīng)使拼接點(diǎn)位于受力較小處，并且每段鋼梁長(zhǎng)度不宜大于12m以便于運(yùn)輸。梁柱計(jì)算時(shí)，平面外計(jì)算長(zhǎng)度與其隅撐的設(shè)置有關(guān)。隅撐是用來(lái)保證鋼梁下翼緣或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣受壓穩(wěn)定的重要措施。隅撐設(shè)置的間距越小，梁柱的平面外計(jì)算長(zhǎng)度就越小，相應(yīng)的平面外穩(wěn)定性就越高。所以隅撐的設(shè)置間距一定不能大于計(jì)算模型中鋼架的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，不然將危及結(jié)構(gòu)的安全。

4.2 當(dāng)山墻抗風(fēng)柱與剛架梁下翼緣連接時(shí)，連接處的梁下翼緣應(yīng)設(shè)置隅撐，用于將抗風(fēng)柱的荷載傳遞至屋面系統(tǒng)，并保證剛架梁的平面外穩(wěn)定。由于門(mén)式剛架屋面系統(tǒng)荷載較輕，所以在屋面檁條設(shè)計(jì)中往往會(huì)出現(xiàn)風(fēng)吸力作用下為控制條件。所以在計(jì)算屋面荷載時(shí)并不是荷載越大越安全，這一點(diǎn)要引起重視。在用STS計(jì)算剛架時(shí)，鋼梁的應(yīng)力比在梁端部可以控制在1.0以?xún)?nèi)，而在跨中應(yīng)力比應(yīng)控制在0.7以?xún)?nèi)。因?yàn)殚T(mén)式剛架梁、柱之間的連接不可能是完全剛性的。連接節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生一定的塑性變形，從而導(dǎo)致剛架內(nèi)力重分配(梁端應(yīng)力降低，梁跨中應(yīng)力升高)，這和計(jì)算模型是有差異的。所以跨中的富裕度要大一些。

5. 蒙皮效應(yīng)

蒙皮效應(yīng)是指建筑物的表面覆蓋材料(屋面板和墻板)利用本身的剛度和強(qiáng)度對(duì)建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用。其工作機(jī)理是：圍護(hù)板與檁條以及板與板之間通過(guò)不同的緊固件連接起來(lái)，形成了檁條為肋的一系列隔板。這種板在平面內(nèi)具有相當(dāng)大的剛度，可以用來(lái)傳遞板平面內(nèi)的剪力，承受板平面內(nèi)的各種荷載作用。蒙皮效應(yīng)加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的空間整體性，但不容易量化，所以一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn). 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017－2003）.中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

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［3］ 崔佳，魏明鐘等. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.