門式剛架輕型房屋鋼結構設計

曹鳳蘭，李 華

(云南銅業股份有限公司，云南昆明650102)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，鋼結構在建筑領域具有舉足輕重的作用。無論在工業還是民用建筑中，鋼結構以其突出的特點迅速占領越來越廣的市場。鋼結構與鋼筋混凝土結構相比，具有自重輕、承載力高、整體剛度和抗震性能好、制作工業化程度高、施工速度快、造價低等特點，并且可建大空間、大跨度房屋，造型美觀、現代感強，是近年來我國建筑鋼結構中應用廣泛的類型之一。門式剛架輕型房屋在單層工業廠房、超市、庫房、職工食堂、展覽館等各種不同的倉儲建筑物中有著廣泛的應用。

1 結構形式和布置

在門式剛架輕型房屋的結構體系中，屋蓋常采用壓型鋼板或電木浪板等輕型屋面板及冷彎薄壁型鋼檁條，外墻采用壓型鋼板及冷彎薄壁型鋼墻梁。剛架根據其跨度、高度和荷載的不同，梁、柱可采用變截面或等截面實腹焊接工字形截面或軋制H形截面。當設有橋式吊車時，柱宜采用等截面構件;無橋式吊車時，柱宜采用變截面構件。其柱腳構造可為剛接，亦可為鉸接。若廠房內有5 t以上橋式吊車或鋼架跨度≥30 m時，柱腳應按剛接支撐設計。

門式剛架分為單跨、雙(多)跨連續剛架或雙(多)跨中間鉸接柱(搖擺柱)的連續剛架。一般單跨的跨度為9～36 m、高度為4．5～9．0 m，剛架柱間距為6～9 m。當剛架跨度＞30 m時，宜起拱。

門式剛架輕型房屋的溫度縫(伸縮縫)設置:縱向≤300 m，橫向≤150 m，屋面坡度一般為1/8～1/20。當坡度＜1/20時，應核算結構變形后雨水順利排泄的能力。壓型鋼板墻體一般外墻不宜直接設置于地坪上，應高出室內外地坪，因室外雨水或室內液體介質的浸泡會加快墻板的腐蝕，墻體設置一般為窗臺以下或高出室內外地坪250 mm以下用磚砌體砌筑，砌體墻以上才做壓型鋼板輕型材料外墻。當砌體墻體太長時，在剛架軸線位置處增設構造柱，墻頂設壓梁。

2 結構分析和設計

2.1 荷載取值

門式剛架承受的主要荷載為:屋面荷載、吊車荷載、風荷載和地震力。

(1)屋面荷載是由屋蓋自重、屋面活荷載、積灰荷載、雪荷載等組成［1］，當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活載的標準值(按水平投影面積計算)應取0．5 kN/m2。但對于受荷水平投影面積＞60 m2的剛架構件，屋面豎向均布活載的標準值可取≥0．3 kN/m2(計算檁條的均布活載取0．5 kN/m2，并考慮檢修荷載)。

(2)吊車荷載分為豎向荷載和水平荷載，水平荷載又分為縱向水平荷載和橫向水平荷載［2］。計算吊車梁及其連接的承載力時，根據吊車工作級別的不同，吊車豎向荷載應乘以不同的動力系數。

(3)風荷載。由于門式剛架輕型房屋高度小，屋面坡度α≤10°，屬于低矮房屋，與一般房屋所受的氣流機理不同。考慮到近地面湍流規律的復雜性，當房屋所受的活荷載以風荷載為主時，在剛架截面荷載效應的最不利組合中，不應考慮與風荷載效應符號相反的其它荷載效應;反之，當房屋所受的活荷載以其它荷載為主時，若與風荷載效應符號相反，則風荷載效也不應進入截面荷載效應的最不利組合。

(4)地震力。由于門式剛架輕型房屋的自重輕，地震作用相對較小，荷載效應組合時，風荷載不與地震作用同時考慮，但構件的地震計算和地震規定應符合有關要求［3］。

2.2 構件變形規定和構造要求

根據規定，門式剛架柱頂位移設計限值為:無吊車時，當采用輕型鋼墻板為(1/60)h，采用砌體墻為(1/240)h;有橋式吊車時，由地面操作為(1/180)h，由吊車駕駛室為(1/400)h。剛架斜梁撓度設計限值僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條時，構件的豎向撓度與跨度比的限值為(1/180)L，有吊頂時為(1/240)L，有懸掛起重機時為(1/400)L(L為構件的跨度，即單坡房屋為斜梁的寬度，雙坡房屋為一個坡面斜梁的長度)。當輕型鋼結構廠房結構設計跨度較大時，在一定設計荷載情況下，受彎構件的截面大小一般是由撓度變形值控制，而不是設計強度滿足結構要求就可以了。在實際使用中剛架斜梁撓度太大不僅影響建筑物的正常使用，而且會造成屋面的變形，使其積水、漏雨，給房屋結構構件和生產安全造成了隱患。對于跨度比較大、撓度較難控制的剛架，可采用加設中間鉸接柱(搖擺柱)的方法，使撓度不至于起到控制作用，從而減少鋼梁因撓度控制而產生的截面過大，用鋼量增加的情況。另外，柱頂位移的變形也應嚴格控制，若位移變形大，會造成吊車梁的移位變形，形成橋式吊車咔輪，影響通行，也會對結構造成安全隱患。

在結構設計時，鋼構件的壁厚不宜太薄，因為在其使用的環境和氣候會對構件有一定的腐蝕，為了結構的安全，冷彎薄壁型鋼墻梁和檁條其壁厚不宜＜1．5 mm，用于焊接主鋼架構件腹板的鋼板，其厚度不宜＜4 mm。

2.3 結構方案選擇和結構體系布置

(1)結構方案的選擇主要是根據建筑物的使用要求、場地地形、工藝配置來確定其平面柱網的布置和房屋的高度設置，剛架的柱距、跨度和房屋高度的合理選擇直接影響結構單元面積的用鋼量，從而影響整個項目工程造價的經濟合理性。若面積大的廠房還需考慮縱、橫向溫度區段的控制，溫度伸縮縫處可設置雙柱或通過設置檁條和屋面板的可調節構造來實現。

(2)支撐和剛性系桿的布置。支撐分屋蓋水平支撐和柱間支撐，屋蓋水平支撐一般設在每個溫度區間端部的第1個或第2個開間，若支撐設在端部的第2個開間時，第1個開間應設置相應的剛性系桿。柱間支撐是在廠房縱向柱間設置，并且和屋蓋水平支撐設在同一開間，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。無吊車時，一般取30～45 m;有吊車時不宜＞60 m。剛性系桿應在柱頂和屋脊分別設置一道，并延縱向連續布置。屋蓋水平支撐、柱間支撐和剛性系桿組成幾何不變體系，是構成結構空間穩定的支撐體系，承擔和傳遞風荷載、地震力和起重機等縱向荷載從其作用點傳到柱腳最后傳到地基，并且可以防止桿件產生過大的振動變形失穩，保證結構安裝時的穩定。

(3)檁條和墻梁的截面選型主要是根據其跨度、檁(梁)距和荷載來確定。檁(梁)距一般為1．5 m和3．0 m，當柱距在9 m以下時，檁條通常采用冷彎薄壁型鋼;柱距在9～12 m范圍內時，需要采用更大截面的構件，如高頻焊接H型鋼等。屋面檁條一般宜等間距布置。側墻墻梁的布置，還應考慮設置門窗、挑檐、遮雨篷等構件和圍護材料的要求，墻梁通常布置在剛架柱的外側，其間距由墻板板型和規格確定，且不能大于由計算確定的數值。

2.4 結構設計

門式剛架輕型房屋的結構計算分為結構橫向計算和縱向計算，橫向計算主要是單榀門式剛架的內力和變形計算，也就是承載能力計算;而縱向計算是建筑物的縱向穩定計算。由于建筑物在長度方向的縱向結構剛度較弱，于是需要沿建筑物的縱向設置柱間支撐以保證其縱向的穩定性。設計時可以用軟件PKPM2010中的STS建模進行結構計算分析。

3 門式剛架設計時應注意的問題

(1)鋼結構抗腐蝕性能較差，易銹蝕，主要與建筑物周圍的環境、大氣中的有害成分(如酸、鹽等)和建筑物內的溫濕度及通風情況有關，一般不宜用于高濕、高溫及強烈腐蝕介質的環境中。設計時應盡量采用自然通風較好的結構布置方案，隔離有腐蝕介質區域或限制腐蝕介質的來源，節點的構造宜簡單，盡量避免采用易于積灰、積水及難于檢查、清除、涂漆的截面，并進行除銹涂漆處理。若結構處于濕度較大、有侵蝕性介質的環境中，還要用防腐材料包裹，先除去構件表面的銹，環氧膩子補縫刮平，用環氧玻璃鋼布等抗腐蝕的材料包裹，層數根據腐蝕介質的強弱來定。在施工時盡量避免或減少涂刷油漆后進行焊接，以防止破壞漆膜的完整性，對破壞的應及時補涂油漆。

(2)鋼結構建筑的抗火性能差，極易傳導熱量，在保證結構的耐火極限提高到設計規范規定的極限范圍內，必須進行防火保護和防火處理。主要方法有涂料保護、防火板保護、混凝土保護、柔性卷材保護、無機纖維保護、結構內通水冷卻保護等措施。

(3)門式剛架斜梁拼接時，翼緣板和拼接的拼接接頭不能放在同一截面上，應錯開拼接。

(4)門式剛架柱腳在地面以下的部分應采用強度等級較低的砼包裹，包裹厚度要≥50 mm，包裹高度要高出地面150 mm;若柱腳底面在地面以上時，柱腳底面應高出地面100 mm。

4 結 語

門式剛架輕型房屋具有自重輕、承載力高、整體剛度和抗震性能好、制作工業化程度高、施工速度快、可建大空間、大跨度房屋等特點，在工業、商業及文化娛樂公共設施等領域被廣泛應用。門式剛架輕型房屋的結構設計過程中，通過對結構設計的布置、分析及設計方案的選擇，合理配置，能有效地起到規范化、專業化的制作安裝，起到節約投資的作用。

［1］中國工程建設標準化協會．CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012版)［S］．北京:中國計劃出版社，2012．

［2］GB 50009-2012建筑結構荷載規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2012．

［3］GB 50011-2010建筑抗震設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［4］GB 50017-2003鋼結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2003．

［5］趙熙元，柴昶，武人岱．建筑鋼結構設計手冊［M］．北京:冶金工業出版社，1995．

［6］王全鳳，高軒能，等．鋼結構設計及實用計算［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［7］林攀舉．淺談門式鋼架輕型房屋鋼結構設計［J］．科技資訊，2010(21):79．

［8］萬春．輕型門式鋼架結構的設計和應用［J］．四川水力發電，2010(4):87-88．

［9］韓旭，譚碧，程印．門式鋼架設計中風荷載體型系數的取用研究［J］．工業建筑，2009(增刊):1112-1117．