淺論溪洛渡機電倉庫門式剛架鋼結構設計

陳光明，楊 科

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

門式剛架輕型鋼結構體系是近年來在鋼結構建筑中應用相當廣泛的一種結構形式。該類建筑是用等截面或變截面焊接H型鋼作為梁柱構件，現場用螺栓或焊接拼裝形成門式剛架作為主要承重結構，以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱，以彩鋼板作為屋面板及墻板，再配以支撐系統、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系，即門式剛架輕型結構體系。這種結構體系可以在工廠批量生產，在現場按要求拼裝形成。能有效的利用材料，構件截面小、自重輕、抗震性能好，施工安裝方便，建設周期短。能夠形成大空間、大跨度，具有外表美觀、適應性強、造價低、易維護等特點。

本文以溪洛渡水電站機電倉庫為例，從設計角度對輕型門式剛架結構的設計過程及要點進行闡述，分析總結了單層門式剛架廠房的一些設計經驗和注意事項,并提出自己的看法，希望能供同行們在處理類似問題時參考。

2 工程概況

溪洛渡水電站機電倉庫，位于溪洛渡電站右岸，其結構長度168m、寬72m，柱距6m、柱高10.5m，單跨24m，三連跨雙坡屋面，坡度1∶20;倉庫內每跨布置1臺16T的橋式起重機，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，第一組，合理使用年限為50年。

3 結構方案布置

3.1 柱網和軸線布置

柱網布置與投資費用直接關系，若合理布置柱網，將會獲得較好的經濟效益。根據已有的工程實例，隨著柱距的增大，剛架用鋼量比例是逐步下降的；但當柱距增大到一定的數值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩。而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大先下降而后上升。一般情況下，最佳柱距是6～9m，如果柱距大于9m，屋面檁條和墻架體系的用鋼量將明顯增多，從而加大成本。考慮到本工程有較大的吊車荷載，因此，在設計時取用較小的經濟柱距為6m。工程平面布置見圖1。

3.2 剛架的形式和受力特點

剛架的梁、柱截面有實腹式與格構式、變截面與等截面之分。梁跨度較大時，宜在梁柱節點和彎矩較大處加腋，加腋長度一般為跨度的1/8～1/10較為經濟。一般情況下，梁、柱采用變截面形式，但本工程倉庫內布置有吊車，柱則采用實腹式等截面工字型，梁采用變截面，如圖2所示。

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定，設計中可采用三鉸門式剛架、兩鉸門式剛架和無鉸門式剛架，各具特點。三鉸剛架即柱腳、屋脊均為鉸接，剛度較差，結構內力大，變形及不均勻沉降均不產生附加內力，適用于小跨度和基礎性能差的工程建筑；兩鉸剛架即柱腳與基礎鉸接，結構內力大于無鉸剛架，但基礎不承受彎矩，設計、施工簡單，柱腳不均勻沉降會產生附加內力；無鉸剛架即柱腳與基礎固接，三次超靜定結構，剛度好，內力分布均勻，柱底有彎矩，對地基與基礎要求高，地基不均勻沉降會產生附加內力。門式剛架的柱腳多按鉸接支承設計，通常為平板支座，設一對或兩對地腳螺栓；當用于工業廠房且有5t 以上橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。因本工程中布置了16T橋式吊車，且地質條件較好，故柱腳按剛接設計。

圖1 柱網平面布置示意

圖2 剛架的梁、柱截面布置示意

4 計算模型與內力分析

4.1 計算模型

對于大多數廠房而言，由于其長寬比較大，結構最不利方向比較明顯，且橫向主剛架采用剛接，縱向采用剛性系桿等構件鉸接連接，通過設置支撐來形成幾何不變體系， 所以多采用二維平面結構計算模型進行分析； 而對于一些長寬比較小的廠房，如果縱向采用支撐桁架來連接，剛架兩個方向剛度相差不大， 此時結構形式已接近框架結構，則應采用空間結構計算模型進行分析計算。本工程長寬比達到了2.3，且縱向連接較弱，故采用二維平面結構計算模型，整個計算通過中國建筑科學研究院研發的PKPM軟件STS模塊完成，計算模型如圖3所示。

4.2 永久荷載

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；還包括懸掛的附加永久物體重量，如噴淋系統、機械設備、通風管道等。設計時需充分分析考慮而不可遺漏。

圖3 二維平面結構計算模型

4.3 可變荷載

4.3.1 屋面活荷載

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》，當采用壓型鋼板的輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標準值(按水平投影面積計算)應取0.5kN/m2(如檁條等構件的設計)，但對受荷水平投影面積大于60m2的主剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3 kN/m2。本工程活荷載取0.3 kN/m2。

4.3.2 風荷載

按照《民用建筑工程設計技術措施(結構)》(2003版)，對于跨高比L/h小于等于4的門式剛架應按GB50009-2001《建筑結構荷載規范》計算風荷載標準值WK及風荷載體形系數μs， 不考慮風振系數βz，但當跨高比L/h大于4 的門式剛架及房屋所有圍護結構的風荷載標準值WK宜按CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》取用。本工程跨高比為2.28，小于4，故按荷載規范的公式：WK=βzμsμzWo，在確定本工程基本風壓Wo時，考慮到工程所在地的基本風壓值在GB50009-2001《建筑結構荷載規范》全國基本風壓圖上沒有給出，于是根據當地年最大風速25m/s，并依據《建筑結構荷載規范》條文解釋7.1.2中公式Wo=Vo2/1 600計算;得到Wo=0.4kN/m2。與荷載規范中雷波的基本風壓為0.3 kN/m2(n=50年)比較,再考慮建筑物地處河谷地段，風速較大，確定根據計算取基本風壓0.4 kN/m2。

4.4 地震作用

根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》第3.2.5條，風荷載不與地震作用同時考慮。由于單層門式剛架質量較輕，地震反應較小，在不大于7度區的地方，廠房的整體計算通常由風、雪、活荷載控制，因此在這些地方，一般不需作剛架的抗震驗算,但本工程抗震設防烈度為8度，地震卻是控制因素，風荷載與地震荷載引起的節點位移比較見圖4、5所示。

4.5 變形驗算

相對于強度驗算，單層門式剛架廠房的變形驗算往往容易忽視。剛架的變形驗算時應注意,鋼結構構件可不考慮螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面計算。剛架的變形驗算主要包括剛架柱頂位移和剛架梁的撓度驗算兩個方面，具體要求見表 1。本工程控制性工況變形驗算結果如圖5、6所示。其柱頂最大位移25.3mm，梁最大擾度92.8mm,均滿足規范要求。

表1 剛架變形驗算的具體要求

注：表中h為剛架柱高度，L為剛架梁的跨度。

圖4 左風(標準值)節點位移(mm)

圖5 左地震作用節點位移(標準值)(mm)

圖6 鋼梁絕對撓度(恒+活)(mm)

5 支撐體系的布置

本工程長度達到了168m，屬于溫度區段較長型，且布置有吊車，按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中支撐布置原則，通過設置橫向支撐和柱間支撐將整個結構劃分為三個區段，每個區段的長度大約在48～54m之間，端部支撐設在第二個開間，在第一個開間的相應位置設置剛性系桿，以使風荷載得到傳遞，在設置柱間支撐的開間,同時設置屋蓋橫向支撐,以構成幾何不變體系。

本工程高度達到了10.5m，屬于房屋高度較高型,故柱間支撐分層設置，且分層位置與牛腿位置相結合。本工程房屋寬度達到了72 m ,整體剛度較弱，在設計時考慮在內柱列也設置支撐。同時為加強房屋支撐體系的整體性能，在剛架的轉折處、邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂均沿房屋全長設置剛性系桿。本工程的剛性系桿均采用組合角鋼，支撐則采用型鋼，以提高房屋的整體抗震性；支撐的設置角度控制在30°～60°范圍內，接近45°。

6 梁柱節點設計

門式剛架梁柱節點通常作為剛接節點進行計算和設計，梁柱連接和拼接節點采用高強螺栓的端板連接節點，實踐證明，端板連接是最為經濟的連接形式，比通常的腹板-翼緣拼接節省材料和緊固件，且現場拼接連接方便。端板的放置方式通常有3種形式：豎放、平放和斜放。本工程采用端板豎放的形式，保證端板的連接螺栓大多分布于翼緣的兩側，既能充分利用螺栓的承載能力，又能減少螺栓的用量。在節點區域還設置了抗剪加勁肋，以減小節點的剪切變形，起到增大節點剛度的作用。

7 檁條設計

檁條采用冷彎薄壁型鋼, 由于其自由扭轉剛度小, 而且大多數截面剪心與形心不重合, 構件中會存在彎曲與扭轉的共同作用，彎扭屈曲是其常見的破壞形式, 必須在設計中予以防止。除了采用更好的截面形式雙軸對稱、閉合構件外, 常見的構造措施還有增加支座和跨中處的側向支承。根據計算，本工程檁條采用C160×60×2×2.5,檁條間距1.5m，為方便連接，檁條按簡支構件設計；為防止構件扭轉變形，構造上設檁托、加勁肋、撐桿、隅撐等。另外, 筆者認為在計算檁條時，風荷載標準值Wk按CECS102:2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定計算更能符合實際；為避免造成施工中的不便，本工程未采用雙層拉條，而是采用通過驗算檁條在風吸力組合作用下下翼緣受壓時的穩定。

8 結束語

單層門式剛架廠房的應用日益廣泛，設計經驗的分析總結是過去的終點，同時也是今天的起點。本文簡單論述了門式剛架設計中一些需要注意的問題，以求做到設計技術先進、經濟合理、安全適用，確保質量。

[1] 邱喜佳.門式剛架鋼結構設計中幾個值得注意問題的探討[J].四川建材，2007(1).

[2] 蘭英.淺談輕型門式剛架結構[J].山西建筑，2008(29).

[3] 中國工程建設標準化協會標準，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS102:2002)[R].2002.