輕型門式剛架結構設計與應用

【摘 要】輕型鋼結構是國內外目前應用和發展速度最快的新型結構形式，廣泛應用于工業、居住和公共建筑，本文介紹了單層輕型門式剛架結構的特點，并就設計中應注意的一些問題做了系統闡述。

【關鍵詞】門式剛架；鋼結構；設計

前言

單層輕型門式剛架結構是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐的一種輕型房屋結構體系。主要用于輕型的工業廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等，近幾年來，隨著我國彩色鋼板產量的增加和焊接H型鋼的出現，門式剛架更是發展迅速，結合單層輕型門式剛架結構的特點，并就設計和施工中應注意的一些問題，做如下介紹：

1.單層輕型門式剛架結構的特點

1.1質量輕

圍護結構采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質量都很輕。根據國內工程實例統計，單層輕型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10～30kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結構的1/20～1/30。由于結構質量輕，相應地基礎可以做得較小，地基處理費用也較低。同時在相同地震烈度下結構的地震反應小。但當風荷載較大或房屋較高時，風荷載可能成為單層輕型門式剛架結構的控制荷載。

1.2工業化程度高，施工周期短

門式剛架結構的主要構件和配件多為工廠制作，質量易于保證，工地安裝方便；除基礎施工外，基本沒有濕作業；構件之間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速。

1.3綜合經濟效益高

傳統鋼筋混凝土結構形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當采用12米柱距時，需設置托架及墻架柱。而門式剛架結構的圍護體系采用金屬壓型板，所以柱網布置不受模數限制，柱距大小主要根據使用要求和用鋼量最省的原則來確定。

1.3柱網布置比較靈活

門式剛架結構通常采用計算機輔助設計，設計周期短；原材料種類單一；構件采用先進自動化設備制造；運輸方便等。所以門式剛架結構的工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。

2.單層輕型門式剛架結構設計要點

2.1結構形式的確定

門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20～1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當剛架柱不是特別高且風荷載也不是很大時，依據“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設計，當用于工業廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

2.2合理跨度的確定

不同的生產工藝流程和使用功能在很大程度上決定著廠房跨度，有的業主甚至要求輕鋼生產廠家根據自己的使用功能，確定較為經濟的跨度。在盡可能滿足生產工藝和使用功能上，應根據房屋的高度確定合理的跨度。一般情況下，當柱高、荷載一定時，適當加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節省空間，基礎造價低，綜合效益較為可觀。通過大量計算發現，當檐高6m、柱距為7.5m，荷載情況完全一致下，跨度在18-30m之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為18-28kg/ m2，當跨度在21-48m之間的剛架單位用鋼量為25-40kg/ m2，當檐高為12m、跨度超過48m時宜采用多跨剛架（中間設置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節約18%左右，因此設計門式剛架時應根據具體要求選擇較為經濟的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2.3剛架最優間距的確定

剛架的間距與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關，當剛架跨度較小時，選用較大的間距，會增加檁條的用鋼量是不經濟的。剛架規范規定，剛架柱距宜為6m，7.5m，9m，最大可采用12m。經過大量計算發現，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當柱距增大到一定數值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量會隨著柱距的增大而增大，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定條件下，門式剛架存在著一最優間距，一般情況下，門式剛架的間距應在6—9m之間，超過9m時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量增加太多，綜合造價并不經濟。

2.4荷載的確定

屋面荷載包括了永久荷載和可變荷載，永久荷載包括結構構件的自重和懸掛在結構上的非結構構件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。可變荷載包括屋面活荷載（設計屋面板和檁條時應考慮施工和檢修集中荷載，其標準值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。規范規定屋面活荷載為0.5KN/m2，但構件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數0.6，門式剛架大都符合此條件，活荷載可取為0.3KN/m2。

計算時候應對荷載進行荷載組合，荷載組合一般應遵從《建筑結構荷載設計規范》GB50009-2012的規定，針對門式剛架的特點，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102：2002給出下列組合原則：

（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中較大值。

（2）積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。

（3）施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。

（4）多臺吊車的組合應符合《建筑結構荷載設計規范》的規定。

（5）當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。

2.5剛架內力和側移計算

2.5.1內力計算

對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內力，只有當剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。

根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內力組合主要有：

（1）最大軸壓力Nmax和同時出現的M及V的較大值。

（2）最大彎矩Mmax和同時出現的N及V的較大值。

（3）最小軸壓力Nmin和相應的M及V，出現在永久荷載和風荷載共同作用下，當柱腳鉸接時M=0。

2.5.2側移計算

變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數。如果最后驗算時剛架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進行調整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。

2.6剛架柱和梁的設計

（1）梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗算、腹板屈曲后強度利用驗算、腹板的有效寬度驗算等內容）

（2）剛架梁柱構件的強度驗算。

（3）梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋）

（4）變截面柱在剛架平面內的計算長度確定。

（5）變截面柱在剛架平面內的整體穩定計算。

（6）變截面柱在剛架平面外的整體穩定計算。

（7）斜梁和隅撐的強度和穩定性計算。

（8）節點設計。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設計、牛腿設計、搖擺柱與斜梁的連接構造等內容）

2.7輔屬結構構件設計

2.7.1壓型鋼板設計

（1）壓型鋼板材料的選擇可根據建筑功能、使用條件、使用年限和結構形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235鋼。

（2）壓型鋼板的截面形式較多，根據波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。

（3）壓型鋼板的強度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構件計算。計算內容包括壓型鋼板腹板的剪應力計算、支座處腹板的局部受壓承載力計算、撓度限值驗算等。

（4）壓型鋼板尚應滿足其他相關構造規定。

2.7.2檁條布置與設計

檁條間距的確定應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規格等因素按計算確定，一般應等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。

（1）檁條的截面形式可分為實腹式和格構式兩種。當檁條跨度不大于9m時，應優先選用實腹式檁條。

（2）檁條屬于雙向受彎構件，在進行內力分析時應沿截面兩個形心主軸方向計算彎矩。

（3）檁條應進行強度計算、整體穩定計算、變形計算。

（4）檁條尚應滿足其他相關構造規定。

2.7.3墻梁布置與設計

墻梁的布置應考慮門窗、挑檐、雨蓬等構件的設置和圍護材料的要求確定。

（1）墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。

（2）墻梁在其自重、墻體材料和水平風荷載作用下，也是雙向受彎構件。

（3）墻梁應盡量等間距設置，在墻面的上下沿及窗框的上下沿處應設置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設置拉條，并在最上層墻梁處設斜拉條將拉力傳至剛架柱。

（4）墻梁可根據柱距的大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續梁。

2.7.4支撐布置與設計

（1）在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。

（2）在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。

（3）端部支撐宜設在溫度區段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應根據房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30～45m，有吊車時不宜大于60m。

（4）當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置；當房屋寬度大于60m時，內柱列宜適當設置支撐。

（5）當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。

（6）在剛架的轉折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應沿房屋全長設置剛性系桿。

（7）由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。

（8）剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

（9）當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼；當房屋中不允許設置柱間支撐時，應設置縱向剛架。

（10）門式剛架結構中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設計。

（11）剛架斜梁上橫向水平支撐的內力，根據縱向風荷載按支承于柱頂的水平桁架計算，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計入壓桿的受力。

（12）剛架柱間支撐的內力，應根據該柱列所受縱向風荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計算，并計入支撐對柱起減少計算長度而應承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。當同一柱列設有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。

2.7.5隅撐布置與設計

當實腹式鋼架橫梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣的兩側布置隅撐（端部僅布置在一側）作為橫梁的側向支承；隅撐的另一端連接在檁條上。隅撐宜采用單角鋼制作，可連接在鋼架構件下翼緣附近的腹板上，也可連接在下翼緣上，與腹板的夾角不宜小于45度。隅撐計算時按軸心受壓構件設計，對稱布置時，每根隅撐的計算軸壓力取計算值的一半。

參考文獻：

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[2]冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB 50018-2002）

[3]全國民用建筑工程設計技術措施（結構）

[4]輕型鋼結構設計指南

[5]現代輕型鋼結構安裝新工藝、新技術、新標準實用手冊

[6]輕剛結構設計制作安裝與工程施工監理及驗收操作規范實用手冊

[7]特種鋼結構設計與施工

[8]輕型房屋鋼結構應用技術手冊