輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

趙 研,龔桂林

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院，四川成都610021)

門式剛架結(jié)構(gòu)，是目前輕型鋼結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，因節(jié)點(diǎn)剛接、形狀似門而得名。門式剛架可以分

為單跨、雙跨或多跨的單、雙坡剛架，以及帶挑檐或毗屋的剛架等形式，如圖1所示[1-3]。

(a)單跨單坡

(b)單跨雙坡

(c)單跨雙坡帶挑檐

(d)雙跨雙坡

(e)雙跨四坡

門式剛架結(jié)構(gòu)具有用鋼量省、結(jié)構(gòu)布置靈活、施工速度快、受力性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在輕型工業(yè)廠房、體育館、展覽廳、車站、倉庫等工業(yè)與民用建筑中。然而，門式剛架結(jié)構(gòu)在我國大量運(yùn)用的時(shí)間還不是很長，部分設(shè)計(jì)人員仍會習(xí)慣性地按照普通鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而在設(shè)計(jì)中存在一些不合理的地方，輕則浪費(fèi)材料、降低經(jīng)濟(jì)效益，重則影響結(jié)構(gòu)的安全性。本文從輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)出發(fā)，分析設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題，供同行參考。

1 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 質(zhì)量輕

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般都采用輕型材料，屋檁和墻檁一般采用冷彎C形鋼或Z形鋼，屋面板和墻面板多采用壓型金屬板，因而結(jié)構(gòu)自重較輕。即使是在工業(yè)廠房中，因?yàn)椤堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)》(CECS 102：2002)[4]中規(guī)定輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中僅可設(shè)置起重量不大于20 t的A1-A5工作級別的橋式吊車或3 t的懸掛式起重機(jī)，結(jié)構(gòu)所承受的總荷載相對也較小。根據(jù)國內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10～30 kg/m2，自重約為同等條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20～1/30。由于荷載較小，基礎(chǔ)所用材料也較少，地基處理難度相應(yīng)降低，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也較小。

1.2 工業(yè)化程度高，施工周期短

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件均為工廠制作，質(zhì)量更能夠保證。將構(gòu)件運(yùn)到施工現(xiàn)場后，構(gòu)件間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，安裝迅速。

1.3 結(jié)構(gòu)布置靈活，不受模數(shù)限制

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于受屋面板等尺寸限制，柱距多為6 m，當(dāng)采用12 m或其他柱距時(shí)，需設(shè)置托架等，較為麻煩。而輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的維護(hù)體系采用壓型金屬板，故柱網(wǎng)布置靈活，一般僅需考慮使用要求和用鋼量。

1.4 綜合經(jīng)濟(jì)效益高

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期短，原材料種類單一，構(gòu)件采用自動化設(shè)備成批量生產(chǎn)，單位價(jià)格相對較低。且門式剛架結(jié)構(gòu)施工周期短，資金周轉(zhuǎn)率高，發(fā)揮投資效益快。

2 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的問題

由于輕鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)與普通鋼結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取一些有針對性的措施，以保證結(jié)構(gòu)的受力性能。已有許多專家、學(xué)者和工程技術(shù)人員對此問題進(jìn)行過分析研究[5-8]，因此，本文僅對一些設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)。

2.1 應(yīng)合理設(shè)置支撐體系

單榀門式剛架在剛架平面內(nèi)剛度較大，能有效抵抗水平荷載，但是在剛架平面內(nèi)剛度則較差，需通過設(shè)置支撐來保證縱向水平荷載的傳遞。支撐設(shè)置時(shí)需注意將屋面橫向水平支撐和柱間支撐布置在同一跨間，以構(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，又便于結(jié)構(gòu)的施工和安裝。在房屋的各溫度區(qū)段內(nèi)，均需設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。屋面橫向水平支撐一般布置在溫度區(qū)段端部第一開間，也可以布置在第二開間，但此時(shí)需在第一開間相應(yīng)于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置布置剛性系桿。屋面橫向水平支撐的豎腹桿需按剛性壓桿設(shè)計(jì)，才能組成幾何不變體系。屋面橫向水平支撐的節(jié)點(diǎn)應(yīng)與抗風(fēng)柱布置相協(xié)調(diào)，將節(jié)點(diǎn)布置在抗風(fēng)柱處，以直接傳遞抗風(fēng)柱柱頂反力，避免剛架斜梁受扭。在剛架轉(zhuǎn)折處，如邊柱柱頂、屋脊處、多跨房屋中間柱柱頂?shù)任恢茫柩胤课菘v向全長設(shè)置剛性系桿，既可承受和傳遞縱向水平荷載，還能在安裝過程中增加剛架的側(cè)向剛度，保證結(jié)構(gòu)安全。支撐的常見布置見圖2。

圖2 支撐布置

2.2 柱腳抗剪鍵的設(shè)置

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.2.20條規(guī)定，柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的剪力，此水平剪力可由底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0.4)或設(shè)置抗剪鍵承受。不管是鉸接柱腳還是剛接柱腳，柱底均有剪力。輕型門式剛架結(jié)構(gòu)自重較輕，荷載較小，底板和基礎(chǔ)間能產(chǎn)生的摩擦力有限，因此，應(yīng)復(fù)核柱腳底部的水平剪力是

否可由柱腳底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力承受。剪力較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置柱腳抗剪鍵，否則剪力實(shí)際上將由錨栓承受，不符合規(guī)范的規(guī)定。

2.3 注意風(fēng)吸力的影響

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)由于采用了輕型屋面材料，自重較輕，當(dāng)屋面坡度在一定范圍時(shí)，風(fēng)荷載的作用方向會向上，即為風(fēng)吸力。在普通鋼結(jié)構(gòu)中，風(fēng)吸力會抵消部分重力荷載，起有利作用，因而不考慮。但對于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)來說，風(fēng)吸力的大小可能超過屋面結(jié)構(gòu)自重，疊加后產(chǎn)生向上作用的荷載，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生反向內(nèi)力，如不考慮風(fēng)吸力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全。

2.4 不得隨意改變結(jié)構(gòu)材料和體系

部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)門式剛架結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)業(yè)主要求或其他考慮，將剛架柱改為鋼筋混凝土柱，剛架斜梁仍為鋼梁，仍按照門式剛架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣做可能會產(chǎn)生工程事故。因?yàn)殚T式剛架結(jié)構(gòu)中剛架斜梁與剛架柱必須做成剛接，而鋼結(jié)構(gòu)斜梁與鋼筋混凝土柱較難實(shí)現(xiàn)剛接，做出來更接近與排架結(jié)構(gòu)，與剛架結(jié)構(gòu)是完全不同的兩種結(jié)構(gòu)體系，這樣設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)可能會嚴(yán)重不安全。

2.5 合理選擇柱腳構(gòu)造

門式剛架結(jié)構(gòu)柱腳分為剛接柱腳和鉸接柱腳兩種，一般情況下應(yīng)優(yōu)先選擇鉸接柱腳。同時(shí)剛架柱采用楔形截面，可以有效降低結(jié)構(gòu)用鋼量，也可以減小基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度，降低造價(jià)。但在設(shè)置了橋式吊車或有較大水平荷載作用時(shí)，則應(yīng)采用剛接柱腳和等截面柱，可以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。

3 結(jié)束語

近年來，門式剛架結(jié)構(gòu)在我國得到了飛速發(fā)展，給鋼結(jié)構(gòu)注入了新的活力。對廣大從事輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員來說，除了要掌握專業(yè)知識外，還必須深入理解輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，弄清其與普通鋼結(jié)構(gòu)的不同，理解和正確運(yùn)用設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)出安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)。

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