門式剛架輕型鋼結構設計中存在的若干問題探討

[摘 要] 門式剛架輕鋼結構以其自重輕、施工速度快和造價低廉等諸多優點深受建筑師、結構工程師和業主的青睞，但在實際設計過程中對常容易忽視某些問題，本文針對這些問題進行了闡述，供設計人員參考。

[關鍵詞] 輕型鋼結構；門式剛架

[中圖分類號] TU392.5 [文獻標志碼] A [文章編號] 1003-1324（2012）-05-0100-03

近年來，門式剛架輕鋼結構以其自重輕、施工速度快和造價低廉等諸多優點深受建筑師、結構工程師和業主的青睞，同時隨著各種設計軟件的發展，門式剛架輕型房屋鋼結構設計越來越智能化，造成部分設計人員過度依賴軟件，對各類規范不能全面的掌握，從而給工程質量帶來很大質量隱患。本文中對門式剛架設計中經常遇到的一些易被忽視的問題進行了闡述，希望能供設計人員在處理類似問題時參考。

1 荷載合理取值是結構設計具有安全保障的前提

1.1 屋面活荷載標準值的取值問題

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102：2002-2002第3.2.2中規定：對受荷水平投影面積大于60m2剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取用不小于0.3kN/m2。但同時在《鋼結構設計規范》GB50017-2003第3.2.1中規定對支撐輕屋面的構件或結構（檁條、屋架、框架等），當僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60m2時，屋面均布活荷載標準值應取為0.3kN/m2。由于《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102-2002為協會標準，屬推薦性標準。《鋼結構設計規范》GB50017-2003為國家標準，屬強制性標準。按照我國相關法律法規，推薦性標準應服從強制性標準，因此，屋面活荷載僅當在“恒+活”這種工況組合中才能取0.3 kN/m2。

1.2 應注意不同條文中對大跨度的不同規定取值

《建筑結構荷載規范》（2006年版）第7.4.1條規定：對于高度大于30m且高寬比大于1.5的房屋和基本自振周期T1大于0.25S的各種高聳結構以及大跨度屋蓋結構，均應考慮風壓脈動對結構發生順風向風振的影響。該處的大跨度屋蓋是指跨度在36m以上的屋蓋（不包括索結構）。同時應注意到《鋼結構設計規范》第8.6節中規定，大跨度屋蓋結構系指跨度等于或大于60m的屋蓋結構。在確定鋼結構的安全等級時，《鋼結構設計規范》3.1.3條規定：對跨度大于或等于60m的大跨度結構的安全等級宜取為一級。此處的大跨度也是指大于等于60m。故設計時，設計人員應根據不同情況取相應的數值。

2 基礎設計中，部分情況應單獨驗算

2.1 柱間支撐處柱腳錨栓應單獨驗算

對有柱間支撐的柱腳錨栓，風荷載作用下的上拔力計算應考慮柱間支撐產生的最大豎向分力，但不考慮活荷載（或雪荷載）、積灰荷載以及附加荷載的影響，且橫荷載對結構有利，其分項系數取為1.0。計算柱腳錨栓的受拉承載力時，應采取螺紋處的有效截面面積。對這部分計算大部分軟件沒有進行驗算，設計人員應加以注意。

2.2 抗剪鍵應單獨驗算

1）抗剪鍵設置

當Qmax ≥Nmax×0.4時需要設置抗剪鍵

2）抗剪鍵正面角焊縫總長度

3）抗剪鍵的抗剪截面的確定

抗剪鍵依據承受的剪力值常用工字鋼、槽鋼、角鋼、鋼板做抗剪鍵，因置方向的不同使得抗剪截面不同，可根據具體構造進行抗剪截面的設計。現有下列公式供參考。

（a）雙面焊縫單受剪面如圖1所示

（b）雙面焊縫雙受剪面，如圖2所示

式中Qmax——最不利組合時柱根最大剪力；

Nmax——最不利組合時柱根最大軸力；

Lw——抗剪鍵正面角焊縫總長度；

hf——焊腳尺寸

ffw ——角焊縫強度設計值；

fv——鋼材的抗剪強度設計值；

t ——鋼板或角肢抗剪面厚度；

βf——正面角焊縫的強度設計值增大系數，可取 βf=1.22

3 檐口天溝排水能力計算

輕鋼廠房因天溝設計斷面不合理導致溢水至室內的情況經常發生，其主要原因是設計時未根據當地情況計算，可利用馬寧公式計算天溝的雨水處理能力，提供下列計算過程供參考。

1h 排水量=速度×天溝橫斷面面積×時間

根據馬寧公式，速度

式中 n——粗糙度，n=0.012

R——水力半徑。

R=

i—坡度，i=0.005

單元每小時降雨量=降雨面積×降雨強度

要求1h 排水量≥單元每小時降雨量

例如，假設設計降雨量為254 mm/h，天溝的規格與形態為寬650㎜×高350㎜直四角型。落水管間距16m，屋面長96m。天溝的坡度i=0.005。計算過程如下：

水力半徑 ；

平均流速 =1.7257m/s

∴1h雨水處理能力=1.7257m/s×0.2275m2×3600s=1413.3m3

1h降雨量（以落水管間距16m為基準）=16m×96m×0.254m/h=390m3/h

天溝處理能力1413.3 >最大降雨量390m3，可滿足排水要求。

4 柱頂系桿與支撐系桿要進行單獨驗算

剛性系桿的選型由受壓構件的允許長細比來控制。但要注意的柱頂系桿與支撐系桿要單獨驗算復核。下面給出單階柱十字交叉支撐在不考慮地震作用時這兩種系桿的內力計算公式。十字交叉支撐在不考慮地震作用時，一般假設支撐僅承受拉力而不承受壓力，支撐桿件受壓退出工作，其計算簡圖如下（圖3），圖中虛線桿件為受壓桿件。

柱頂系桿

N1=W1+H

支撐系桿

N2=W1+W2+H

W1——縱向水平集中風荷載，主要是由廠房山墻和天窗架端壁傳來的集中風荷載，位于柱頂；

W2——縱向水平集中風荷載，主要是由廠房山墻傳來的集中風荷載，位于上段柱和下段柱交界處；

T——吊車縱向水平剎車力T，由吊車在軌道上縱向行駛時所產生的剎車力，T=0.1Pmax（按不多于兩臺吊車計算），Pmax為吊車剎車車輪的最大輪壓，輪數取吊車一側輪數的1/2；

H——其他縱向水平荷載，主要由溫度作用或固定于廠房柱列的管道（或設備）產生的作用；

5 焊縫形式和質量級別要求要在圖紙上詳細注明

焊縫應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環境以及應力狀況等，分別選用不同的質量等級。部分設計人員由于自身概念不清僅做模糊性標注，造成工程質量無法保證。焊縫質量等級可如下簡單區分，一般情況下，一級焊縫適用于直接承受動力荷載或受拉等強的對接焊縫連接；二級焊縫適用于承受靜力荷載的等強對接焊縫連接；三級焊縫主要用于一般角焊縫或不重要的對接焊縫連接。

⑴ 在需要進行疲勞驗算的構件中，所有對接焊縫均應焊透，其質量等級為：

作用力垂直于焊縫長度方向的橫向對接焊縫或T形對接焊縫，受拉時應為一級，受壓時為二級；

作用力平行于焊縫長度方向的縱向對接焊縫質量等級為二級。

⑵ 在不需要進行疲勞驗算的構件中，凡要求與母材等強的對接焊縫應焊透。其質量等級為：當焊縫受拉時不低于二級；焊縫受壓時為二級。

⑶ 不要求焊透的T形連接采用的角焊縫或部分熔透焊縫，以及搭接連接采用的角焊縫，其質量等級為：

對于直接承受動力荷載且需要驗算疲勞的結構和吊車起重量等于或大于50t的中級（A5）工作制吊車梁，焊縫的外觀質量標準為二級；

對于其他結構，焊縫的外觀質量標準為三級。

6 螺栓類型的選用

⑴摩擦型連接高強螺栓與承壓型連接高強螺栓的選用。

目前設計一般用摩擦型連接，其優點是剪切變形比撐壓型連接小，這種連接使得結構剛度較大。但由于受現階段鋼構件加工技術限制，鋼構件端板的焊接殘余變形得不到很好的控制，接觸面很難達到70%的緊貼。實際上在低烈度地震區，當吊車荷載不大或沒有吊車、風荷載較小、變形不大的情況下可優先選用承壓型連接，不僅大大減少螺栓用量，而且連接處構件接觸面僅需清除油污及浮銹，不必強調抗滑移系數和扭矩兩個系數的檢驗，有利于提高施工速度和保證施工質量。

⑵高強螺栓與普通螺栓的選用

由于高強螺栓造價高，在工程中高強螺栓與普通螺栓的合理選用能在保證工程質量的前提下降低工程造價。對鋼結構主材的連接，一般采用高強度螺栓，但吊車梁處端頭板處的防松螺栓可選用普通螺栓。系桿與主鋼構的連接處、檁條與檁托板的連接處、隅撐與檁條和主剛構的連接處一般應選用普通螺栓，但如果檁條兼做剛性系桿，該處就應采用摩擦型連接的高強螺栓，且檁條上不能開長圓孔。

7 結語

由于現階段設計任務重，設計人往往對細節不加以重視，以上幾條是我們在設計過程中的總結，希望對大家今后的設計有所幫助。

參考文獻

⑴ GB 50017-2003，鋼結構設計規范.

⑵ CECS 102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程.

⑶ 舒贛平，王恒華，范圣剛.輕型鋼結構民用與工業建筑設計.北京：中國電力出版社，2006.

作者簡介 王振（1978-），男，山東煙臺人，碩士研究生，國家一級注冊結構工程師。王蘭芹（1978-），女，山東聊城人，碩士研究生，講師，主要從事工程結構的安全性分析與控制和新型建筑材料的研究。