冷彎薄壁型鋼門式剛架應用現狀

徐長征 羅永峰

冷彎薄壁型鋼門式剛架輕型鋼結構是一種采用冷彎薄壁型鋼作為主要承載的梁柱構件，采用門式剛架結構形式的輕型鋼結構體系，這樣的結構形式在美國及澳洲等國家已得到了廣泛的應用；主要運用在單跨跨度不超過36m的工業類房屋如倉庫、輔房，以及農業類建筑如雞舍、馬棚等，具有安全、快速、經濟、便捷等優勢。

門式剛架輕型鋼結構在我國已廣泛運用在工業廠房領域，具有跨度大，經濟性強，安裝快速便捷等優點，一般采用變截面焊接H型鋼作為剛架梁柱構件。但考慮到目前焊接H型鋼一般最薄采用5mm板件、加工需要構件詳圖、加工工藝工序多等因素，對于小跨度的單層工業房屋，特別是跨度小于15m、不帶行車的廠房建筑，其經濟性難以保證，故而采用冷彎薄壁型鋼構件作為承重梁柱構件不失為更經濟、更快捷的選擇。澳洲Ranbuild公司在冷彎薄壁型鋼門式剛架結構運用上，有著成熟的產品和多年的經驗，他們采用標準化設計、標準化制造的模式把冷彎薄壁型鋼廣泛用于小型工業倉儲房屋以及一些農業雞舍類房屋，其最大跨度可以達到36m。

1 冷彎薄壁型鋼門式剛架結構

1.1剛架形式

典型的冷彎薄壁型鋼門式剛結結構的形式如圖1所示。冷彎薄壁型鋼門式剛架一般用于沒有行車的單層工業房屋，局部可以有夾層。根據澳洲Ranbuild公司的技術資料[5][6]顯示，其單跨最大跨度可以達到36m，當跨度大于13.8m時應采用圖1中的類型c，即屋脊處應設置有水平拉桿；最大柱頂高度可以達到7.3m；最大柱距可達到9m；屋面坡度范圍為10~27度，最通常采用的屋面坡度為10度。

圖1 典型冷彎薄壁型鋼門式剛架

用于剛架梁、柱構件一般為冷彎薄壁C型鋼，截面高度為C200~C350，材料厚度1.5mm~3.0mm，材料強度為340MPa和450MPa，材料通常為連續熱浸鍍鋅表面處理，鍍鋅量通常為Z275，截面型式可為單根構件截面或兩根構件背靠背截面，如圖2所示，采用組合截面時，構件間連接采用高強螺栓。

圖2 典型梁柱截面型式

特別要注意的是，為了減小冷彎薄壁型鋼門式剛架的屋面梁饒度偏大，影響正常使用，澳洲Ranbuild公司采取了一些預起拱的措施，當跨度超過12m時考慮預起拱，柱頂向內偏移，屋脊向上偏移，具體詳表1所示。

這樣采用冷彎薄壁型鋼作為梁柱承重構件，具有以下的特點和優勢：

1.1.1 在適合的項目類型中，相比焊接H型鋼具有更好的用鋼量經濟性。特別是當跨度小于15m時，其用鋼量相比焊接H型鋼可以節省20%。

1.1.2 項目運作更快更便捷。其詳圖設計過程相比變截面焊接H型鋼更簡單更省設計工時，同時冷彎成型的加工工藝比焊接更省人工更快捷。

1.1.3 更標準化的設計更好的質量。這樣的結構形式一般都采用標準化設計，包括構件截面標準化、連接節點標準化，從而使得加工的質量更容易保證。

1.1.4 更好的耐腐蝕性能。冷彎薄壁型鋼一般采用Z275鍍鋅表面處理，相比油漆處理的焊接H型鋼有著更好的耐腐蝕性能。

表1 剛架預起拱

1.2支撐形式

典型的屋面及柱間支撐型式包括鋼拉帶和圓鋼兩種形式，鋼拉帶的常規厚度為1.5~2.5mm，與梁、柱的外翼緣連接，且與屋、墻面檁條的翼緣連接，連接均采用自攻釘連接方式，拉帶端部的連接自攻釘的數量由計算決定。圓鋼支撐通常采用M16~M20的圓鋼，通常是側向荷載較大時作為柱間支撐使用，連接采用高強度螺栓與柱的翼緣連接，可僅設置在柱的外翼緣側，若需要更大的承載力，可在柱的內、外翼緣雙側同時設置圓鋼支撐。柱間支撐形式詳見圖3所示。

圖3 典型支撐形式

1.3連接形式

冷彎薄壁型鋼門式剛架的連接主要采用高強度螺栓承壓型連接的方式，也會采用自攻釘連接的形式作為補充，高強度螺栓均采用雙墊片，連接處的連接件多為標準化連接件。對于圖1中類型a的剛架形式，梁柱連接節點和屋脊梁梁連接節點均為半剛性連接節點，剛度系數由實驗得出。連接形式詳見圖4~圖5所示。對于圖1中的類型b和類型c的剛架形式，由于增加了柱頂斜撐桿及屋脊水平拉桿，梁柱連接及屋脊梁梁連接均采用鉸接連接節點，連接形式詳見圖6~圖7所示。柱腳一般考慮為鉸接連接，常見的連接形式詳見圖8~圖9所示。事實上，根據澳洲Ranbuild公司的實驗結果，這樣的連接依然有一定的轉動剛度。

圖4 梁柱半剛性

圖5 梁梁半剛性連接

圖6 梁柱鉸接

圖7 梁梁鉸接

圖8 柱腳A

圖9 柱腳B

2 項目案例

2.1工程概況

博思格鋼鐵-藍璀建筑鋼結構（上海）有限公司在國內已有冷彎薄壁型鋼門式剛架結構的實際項目運用，以下作一案例介紹。某單層門式剛架廠房結構，建筑總長度91.95m，總寬度23.15m，柱頂高度為4.46m，屋面坡度10度，結構橫向為單跨，跨度20.75m，縱向柱距6m，整個建筑的施工過程中的照片及平面布置圖和剛架立面圖如圖10~圖12所示。

圖10 施工中照片

圖14 主要剛架連接節點

圖11 平面布置圖

圖12 剛架立面圖

圖13 結構計算簡圖

2.2荷載取值及計算模型

考慮以下荷載條件：

▲屋面采用120mm厚夾芯彩鋼板，恒載0.3kN/m2，結構自重由程序自動計算；

▲設備管線吊掛荷載由相關設備方提供，相當于均布荷載0.10KN/m2，實際分析時按集中荷載的形式計算；

▲屋面活荷載0.5KN/m2，用于設計剛架時折減為0.3KN/m2；

▲基本風壓0.65KN/m2，地面粗糙度B類；

▲基本雪壓0.35KN/m2；

▲抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。

結構計算簡圖如圖13所示，采用的構件截面詳見表2所示。

結構設計采用PKPM-STS軟件設計。

主要的剛架連接節點詳見圖14所示。

2.3分析結果

主要分析計算結果為：

▲風荷載作用下的柱頂側移為6.1mm；

▲在屋面恒、活荷載組合工況下，屋脊處最大豎向位移為47mm；其中恒載作用下的屋脊處豎向位移為24.6mm，活荷載作用下的屋脊處豎向位移為22.4mm；

▲最大應力比：柱0.87（強度應力比），梁0.85（強度應力比）。

具體數據詳見圖15所示。

表2 構件截面表

圖15 主要分析計算結果

2.4設計及施工中的問題

2.4.1 變形問題

由于鍍鋅表面摩擦系數較低，所以螺栓連接處都會有一定的滑移和轉動，這造成了額外的剛架變形，主要反映在屋脊處的豎向位移。根據計算分析的結果，在恒載作用下的屋脊處豎向位移為24.6mm，但根據現場實測，此處在恒載作用下的位移約50~60mm，這與計算值之間存在了巨大的差異。分析下來，有兩個因素：一是制作誤差；二是構件間滑移造成的。后來采取了一些措施彌補：首先，所有連接處的構件表面采取了現場清洗以去除油污的措施，從而增大表面間的摩擦系數；另外，將屋脊處豎桿替換為更短的豎向桿件，從而把這個位移差彌補回來了一些。對于設計工作而言，目前根據《鋼結構設計規范》（GB50017-2003），承壓型連接的設計不再要求摩擦系數，但如果摩擦系數太低也會對正常使用帶來一定的不便，現有的規范《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）和《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018-2002）中還沒有鍍鋅接觸面的摩擦系數數據，為此應有必要進行相關的實驗測試補充此類數據。

2.4.2 制作問題

冷彎薄壁型鋼門式剛架需要用到350高的C型檁條，同時孔位種類較多，最多時同一截面上需要四組鉆頭鉆孔，就目前國內的檁條加工廠加工能力而言，還有一些差距。同時，加工精度也存在問題，目前檁條的制作標準主要依據《門式剛架輕型房屋鋼構件》（JGJ144-2002）執行，其中對檁條的孔位尺寸的誤差要求偏低，這主要是因為目前的檁條都是用作次要結構構件，如屋面檁條和墻面檁條，但作為主結構梁柱構件時，孔位的精度要求應有所提高。這樣的加工精度要求，再結合鍍鋅構件表面摩擦系數較低，從而產生了上述的剛架額外變形，這對實際工程項目的驗收也產生了一定難度。

2.4.3 防火問題

上述的這個項目實例沒有防火的要求。但如果碰到有防火要求的建筑，特別是二級耐火等級以上要求的建筑，可能會有一定問題。目前鍍鋅檁條涂刷防火涂料，考慮到涂料附著力的因素，一般只能涂刷薄型防火涂料。曾有鋼結構公司做過實驗，采取了先涂刷特定的底漆后涂刷薄型防火涂料的做法，最多能達到1.5小時耐火極限，這是一種比較好的方法，但這依然不能滿足二級耐火等級時單層房屋的柱子2.0小時的耐火極限要求。另外一方面，檁條截面有卷邊，這對于涂刷防火涂料有一定難度，同時其涂刷面積會因為鋼板薄而變的較大，經濟型較難保證。

3 結語

本文系統的介紹了冷彎薄壁型鋼門式剛架結構，同時結合實際的工程案例對所碰到的一些設計及施工中的問題進行了討論。關于冷彎薄壁型鋼門式剛架結構，國內已有多篇文獻[7][8]討論，在此筆者提出以下幾點，會是今后需進一步研發的方面：

3.1 半剛性連接節點。對于冷彎薄壁型鋼構件間的連接，很難做到完全剛性連接，更趨向半剛性的特征，澳洲Ranbuild公司做了很多相關的實驗，總結出了相關的節點剛度系數，用于指導設計。

3.2 柱子計算長度系數。目前的規范中規定的柱子計算長度系數沒有計及半剛性連接節點的影響，由于半剛性連接節點虛弱了框架的抗側剛度，所以現有的柱子計算長度系數可能偏不安全。

3.3 彩鋼板的蒙皮效應。冷彎薄壁型鋼門式剛架的抗側剛度比較小，因而設計中考慮彩鋼板維護系統的蒙皮效應會對抗側剛度有較大提高。澳洲Ranbuild公司的設計中考慮了維護系統的蒙皮效應，其蒙皮效應的承載力數據主要來源于實驗結果。

3.4 抗震性能。目前關于冷彎薄壁型鋼門式剛架結構的抗震性能的研究不多，但對于設計而言仍然需要有這方面的數據給予指導。特別是除了彈性階段抗震計算之外，對于高烈度區，是否需要進行一些構造措施以保證抗震性能。

[1]GB50017-2003.鋼結構設計規范.北京：中國計劃出版社，2003.

[2]GB50018-2002.冷彎薄壁型鋼結構技術規范.北京：中國計劃出版社，2002.

[3]CECS102：2002.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程.北京：中國計劃出版社，2003.

[4]JGJ144-2002.門式剛架輕型房屋鋼構件.北京：中國標準出版社，2002.

[5]Ranbuild,CovermasterAssemblyGuide.

[6]Ranbuild,BIGGASSEMBLYGUIDE.

[7]盧林楓，董劉方，李坤.冷彎薄壁型鋼門式剛架結構研究現狀與展.四川建筑科學研究，2008，34（1）.

[8]盧林楓，董劉方，周緒紅.冷彎薄壁型鋼門式剛架極限承載力影響因素.重慶建筑大學學報，2008，30（3）.