門式剛架結構設計探討

郭春陽 王 越 吳 錚

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

鋼結構具有以下特點:①重量輕，強度高。普通鋼結構是鋼筋混凝土結構建筑重量的1/2左右，而輕鋼門式鋼架自重僅為30 kg/m2左右,較輕的自重降低了基礎的造價。由于其強度高的特點適用于大跨度、大柱網，增大了使用面積；②抗震性能好；③主要鋼構件工廠化，施工速度快，有助于建筑產業化發展；④可拆卸利用，對環境污染少，綠色環保。

1 門式剛架柱

1）輕鋼門式剛架柱腳采用鉸接還是剛接。門式剛架的柱腳形成多按鉸接支撐設計，通常為平板支座，設一對或二對地腳螺栓。當用于工業廠房且有5 t以上橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。本人認為，門式剛架應首先應確定是否有吊車，如廠房工藝要求需要布置吊車，則應注意以下幾點:①柱腳應設計成剛性柱腳;②柱應設計成等截面柱;③柱間支撐應由吊車縱向水平荷載控制設計，而不是簡單的構造設計，當有不小于5t的橋式吊車時，宜采用型鋼支撐。

另外，柱腳形式采用鉸接還是剛接，除由吊車決定外，還要看建筑物的高度和風荷載的大小，如果建筑物的高度較高，而且風荷載較大，即使無吊車，如柱腳采用鉸接，柱頂位移大，為控制柱頂位移必然加大柱截面，增加用鋼量。最后，柱腳形式的選擇還要考慮土質情況及基礎造價。當采用剛接柱腳，由于基礎要承受較大的偏心彎矩，基礎的平面尺寸均較鉸接柱腳基礎要大，土質情況差時差別就更大。因此，選用何種柱腳行形式要根據建筑物的高度、風荷載的大小、有無吊車、吊車噸位及土質情況等因素綜合確定。如門式鋼架無吊車，則按楔形柱等常規設計，不再贅述。

2）柱間支撐的布置。柱間支撐與屋面支撐應布置在同一柱間，使剛架縱向形成穩定體系，便于剛架安裝且增加縱向剛度。支撐應布置在第一柱間或第二柱間，當布置在第二柱間時，第一柱間相應布置剛性系桿,且剛性系桿與抗風柱沿縱向位置一致，使風荷載直接傳遞。在剛架轉折處 (單跨房屋邊柱柱頂及屋脊，以及多跨房屋某些中間柱柱頂和屋脊)應沿房屋全長設置剛性系桿。當門架的跨度較大時，在布置支撐的柱間，應適當增加剛性系桿的數量，使支撐的夾角在45°左右。當受建筑功能限制無法布置柱間支撐時，應布置縱向剛架。

2 抗剪鍵的設置要求與計算

柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力，水平剪力可由柱底板與混凝土間的摩擦力或設置抗剪鍵承受。這就是我們計算門架時，往往出現的警告提示:“柱腳需要設抗剪!”。其主要原因是門架結構一般自重較輕，而在風荷載較大或抗震設防烈度較高地區，其柱底水平剪力較大，往往需要在柱底板下加抗剪鍵，以彌補柱底板與混凝土間摩擦力的不足。在條文說明中要求抗剪鍵采用在剛架平面方向截面剛度較大的工字鋼等垂直焊接在柱底板的底面,其截面和連接焊縫的抗剪能力應進行計算。若抗剪鍵較長，須在基礎表面做坑以便安裝時將其插入，然后進行二次灌漿。

抗剪鍵起作用是建立在柱底板下的空隙灌漿密實的基礎上，密實是二次灌漿與混凝土基礎及柱底板共同工作的前提。因此抗剪鍵的作用除與本身截面和焊縫高度與長度有關外，還取決于灌漿的密實度，抗剪鍵以長度方向平行于柱底板為宜。柱底板下的灌漿空隙以滿足抗剪鍵不與基礎表面接觸，留有一定空隙，使柱底標高有調整余量為準，確保抗剪鍵起作用，保證工程安全。

3 基礎設計

輕鋼結構基礎設計中，由于結構自重輕，基礎豎向荷載小，水平荷載往往成為基礎大小的控制因素。因此基礎偏心過大，對基礎設計造成一定困難。由于偏心荷載作用下基礎底面反力的不均勻性，可能使基礎發生傾斜,甚至會影響廠房的正常使用，特別是有吊車的工業廠房。對于僅有風荷載而無吊車荷載的柱基,允許基礎底面與地基不完全接觸，但接觸部分長度與基礎長度之比不小于0.75，同時,還應驗算基礎底板受拉一邊在底板自重及上部的重力荷載作用下的抗彎強度。為滿足以上設計原則，解決的方法有:增加基礎壓重、增加深埋、采用偏心基礎、采用樁基等，在實際設計中應經過充分比較分析后確定選用哪種方法。

4 抗風柱與剛架的連接

目前門式剛架的抗風柱設計存在兩種錯誤的做法:一種是將抗風柱與剛架做成一樣，抗風柱與剛架梁或鉸接或剛接，抗風柱既參與抗風又參與豎向荷載作用及橫向水平作用。而設計人員往往又不做這樣剛架的縱向抗風驗算,這樣做是漏算荷載的，是工程設計的一大忌。另一種做法是抗風柱與剛架在一條軸線上,但不考慮抗風柱受豎向荷載作用，抗風柱與剛架梁之間用一塊鋼板通過焊縫相連。這種做法仍然將一部分豎向荷載傳給了抗風柱，而且鋼板的側向剛度很小，在豎向荷載的作用下發生屈曲后就很難保證有效地傳遞風荷載了。以上兩種做法都存在弊端。在這里筆者推薦以下做法:采用廠房標準軸網做為抗風柱軸線，第一榀剛架軸線與抗風柱錯開500～600mm,抗風柱翼緣通過連接板與剛架梁腹板加勁肋相連，且連接板及加筋肋上開豎向長圓孔，連接螺栓采用普通螺栓。

5 結語

門式剛架輕型房屋鋼結構在我國應用已比較廣泛，技術日漸成熟，但需要完善的問題仍較多，只有充分理解該類結構的設計概念才能使結構設計既經濟合理，又安全可靠，在市場競爭中立于不敗之地。

[1] GB50009-2001,建筑結構荷載規范[S].

[2] GB50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[3] CECS102;2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[4] 汪一駿,等.鋼結構設計手冊（第三版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.