門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用

潘新瑩，伊 震，閆素美，涂 蕊

（中國寰球工程公司 遼寧分公司， 遼寧 撫順 1130061）

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是石油化工生產(chǎn)裝置建構(gòu)筑物廣泛采用的一種形式，尤其是用于需要考慮泄爆設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)廠房。這種結(jié)構(gòu)形式具有用鋼量省，自重輕，施工方便快速，造型樸素大方的特點(diǎn)。筆者結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意的問題。

1 門式剛架適用的結(jié)構(gòu)

主剛架適于具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20 t的A1～A5工作級(jí)別橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)。

懸掛吊車不宜大于3 t，因?yàn)檩p型房屋的剛度相對(duì)差，懸掛吊車噸位大，可能導(dǎo)致剛架撓度難于滿足要求或設(shè)計(jì)效果不經(jīng)濟(jì)。

適于起重量不大于20 t，工作級(jí)別為中、輕級(jí)，即工作級(jí)別A1～A5橋式吊車，否則噸位大、剎車力大、荷載大，造成廠房不經(jīng)濟(jì)。

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102︰2002 ，以下簡稱門規(guī)）適用于具有輕型屋蓋和輕型外墻的房屋，主剛架跨度不大于36 m，檐口高度不大于15 m，當(dāng)橋式吊車起重量不大于10 t、沒有較大的吊掛荷載以及基本風(fēng)壓不大于 0.6 kPa且抗震設(shè)防烈度不大于7度時(shí)，檐口高度可放寬至18 m[4]。附錄A采用的風(fēng)荷載系數(shù)適用于屋面坡度不大于10度，屋面平均高度不大于18 m，房屋高寬比不大于 1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸的門式剛架輕型房屋[4]。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到超出上述限制的鋼結(jié)構(gòu)廠房，我們?nèi)匀豢梢圆捎瞄T式剛架鋼結(jié)構(gòu)，但此時(shí)門規(guī)已經(jīng)不再適用，應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）規(guī)定的柱頂位移限值、撓度限值、構(gòu)件變形和支座位移允許值等規(guī)定執(zhí)行。結(jié)構(gòu)體系布置時(shí)屋蓋宜設(shè)置縱向水平支撐和橫向水平支撐，一起構(gòu)成封閉的支撐體系，增強(qiáng)房屋整體剛度。剛架柱和斜梁必須采用剛性系桿來保證其側(cè)向穩(wěn)定；支撐不宜采用圓鋼，宜采用型鋼；中柱不宜采用搖擺柱；柱腳宜采用剛接，柱子宜采用階梯形。

2 設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視的問題

（1）基本風(fēng)壓應(yīng)乘以1.05的調(diào)整系數(shù)[1]。

（2）抗震驗(yàn)算時(shí)結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.05[2]，鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比,不超過 12層的可采用0.035[3],超過12層的可采用0.02[3]。單層廠房鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比宜取0.05[2]。

（3）柱腳宜設(shè)計(jì)成鉸接節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5 t以上橋式吊車時(shí)，柱腳宜設(shè)計(jì)成剛接。抗震設(shè)防烈度為8、9度時(shí)，柱腳應(yīng)采用插入式或埋入式柱腳。

（4）在設(shè)有駕駛室且起重量大于15t橋式吊車的跨間，應(yīng)在屋蓋邊緣設(shè)置縱向支撐桁架。

（5）當(dāng)設(shè)有起重量不小于5 t的橋式吊車時(shí)，柱間宜采用型鋼支撐。在8度及以上地震區(qū)或地震作用效應(yīng)組合起控制作用時(shí)，門式剛架房屋的屋面橫向水平支撐和柱間支撐亦應(yīng)采用型鋼支撐。

（6）屋面橫向水平支撐與柱間支撐應(yīng)布置在同一跨間內(nèi)。布置在同一跨間內(nèi)的屋面橫向水平支撐和柱間支撐同門式剛架一道構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又方便于門式剛架結(jié)構(gòu)的施工安裝。根據(jù)門規(guī)第4.5.1條第2款和第4.5.2條第1款的規(guī)定，宜將屋面橫向水平支撐和柱間支撐同時(shí)布置在房屋溫度區(qū)段端部第一開間或第二開間。當(dāng)端部支撐設(shè)在第二開間時(shí)，在第一開間的相應(yīng)位置設(shè)置剛性系桿。在布置柱間支撐的開間，宜同時(shí)布置屋面橫向水平支撐。

（7）屋面橫向水平支撐的節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在抗風(fēng)柱頂節(jié)點(diǎn)處。屋面橫向水平支撐桁架的節(jié)點(diǎn)布置在抗風(fēng)柱處，可以使抗風(fēng)柱柱頂?shù)姆戳χ苯觽鬟f，避免剛架斜梁受扭。

（8）柱腳錨栓的直徑不宜小于24 mm，且應(yīng)設(shè)置雙螺帽。柱腳錨栓直徑除按計(jì)算確定外，考慮到實(shí)際工程中可能會(huì)承受部分水平剪力等不利因素，其直徑不宜過小。一般情況下，剛架跨度不大于18 m時(shí),采用2個(gè)M24的錨栓；剛架跨度不大于27 m時(shí),采用4個(gè)M24的錨栓；剛架跨度不大于30 m時(shí),采用4個(gè)M30的錨栓。柱腳錨栓采用Q235鋼或Q345鋼制作，柱腳錨栓均應(yīng)設(shè)雙螺帽，以防螺帽松動(dòng)，影響柱腳安全可靠的工作。

（9）當(dāng)門式剛架跨度大于40 m小于60 m，或高度大于13 m小于18 m時(shí)，宜采取下列措施：屋蓋宜增設(shè)縱向水平支撐和橫向水平支撐，一起構(gòu)成封閉的支撐體系，增強(qiáng)房屋的整體剛度；支撐設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，宜考慮由端部柱間支撐及屋面橫向水平支撐負(fù)擔(dān)山墻面的風(fēng)力。剛架柱和斜梁必須采用剛性系桿來保證其側(cè)向穩(wěn)定，不宜依靠隅撐保證側(cè)向穩(wěn)定。檁條不宜兼作系桿，系桿必須用型鋼另外設(shè)置。支撐不宜采用圓鋼，宜采用型鋼。

（10）當(dāng)廠房布置有防火墻，且防火墻頂部與剛架梁有構(gòu)造連接時(shí)，應(yīng)計(jì)入其地震作用。

（11）吊車梁兼做廠房剛性系桿時(shí)，應(yīng)設(shè)置雙側(cè)隅撐與剛架柱外翼緣相連。

（12）各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一定要認(rèn)真考慮腐蝕因素。

3 設(shè)計(jì)案例分析

下面是筆者最近設(shè)計(jì)的一個(gè)工程。該工程抗震設(shè)防烈度8度（0.20 g），吊車噸位32 t，檐口高度16 m，跨度21 m，因工藝需要，在標(biāo)高4.8 m處布置二層鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，廠房一側(cè)布置有管架（一側(cè)廠房柱兼做管架柱）。考慮到吊車噸位超過20 t，進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼規(guī)，鋼柱的長細(xì)比控制為 120。采用PK-STS進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果圖1所示。

圖1 配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖Fig.1 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

結(jié)果顯示左側(cè)鋼柱局部長細(xì)比達(dá)到了 149，超過了允許值。筆者沒有采取繼續(xù)加大截面的做法，而是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致分析。長細(xì)比取決于計(jì)算長度系數(shù)，鋼規(guī)對(duì)于階形柱的計(jì)算長度系數(shù)有專門規(guī)定，其計(jì)算不同于一般鋼框架按梁柱線剛度比的計(jì)算模式，階形柱計(jì)算長度不僅與上下柱截面有關(guān)，還與上下柱軸力比值有關(guān)，這就解釋了為什么同樣的截面，廠房左、右柱計(jì)算長度卻不同。程序?qū)τ诤土簞傂赃B接的柱，強(qiáng)制采用線剛度比的計(jì)算方法，此時(shí)只需要把與廠房柱相連的梁改為鉸接，再進(jìn)行計(jì)算，就可以得到規(guī)范算法的結(jié)果了，如圖2、3所示（為了作比較，廠房右柱未作改動(dòng)）。

圖2 配筋包絡(luò)和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖Fig.2 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

圖3 平面內(nèi)計(jì)算長度系數(shù)Fig.3 In-plane calculated length coefficient of columns

實(shí)際上梁柱是剛接的，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)記錄下按階形柱計(jì)算模式得到的計(jì)算長度系數(shù)，然后再把梁柱節(jié)點(diǎn)改為剛接，同時(shí)人工指定計(jì)算長度系數(shù)，把記錄下來的數(shù)據(jù)填入再進(jìn)行計(jì)算即可。

4 結(jié) 語

只要理解規(guī)范的實(shí)質(zhì)，合理設(shè)計(jì)，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)可以在很多場合發(fā)揮其優(yōu)勢。北京西郊機(jī)庫和大連南關(guān)嶺糧庫等都達(dá)到單跨 72 m;我公司設(shè)計(jì)的石油一廠新區(qū)石蠟成型裝置庫房和成型機(jī)廠房單跨跨度也已經(jīng)達(dá)到60 m; 檐口高度27 m甚至32 m，吊車噸位240 t、350 t的輕鋼廠房也已經(jīng)付諸實(shí)際工程。在遵循相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，不斷探索新的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，提高門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，為我國有中國特色社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)奉獻(xiàn)才智，是我們每一名技術(shù)人員應(yīng)盡的職責(zé)和使命。

［1］ GB50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

［2］ GB50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

［3］ GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

［4］ CECS 102:2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．

［5］ 陳友泉,等.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工疑難問題釋疑[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［6］ 張運(yùn)田.門式剛架常見問題及其改進(jìn)措施[M].北京:中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，2002．