輕型鋼結構的工業應用與常見設計問題

輕型鋼結構的工業應用與常見設計問題

李來軍

(中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054)

摘要：該文對門式剛架輕型鋼結構的結構特點、內力計算進行了簡單介紹，并對一些設計中經常遇到但容易忽略的細節問題做了闡述和分析。

關鍵詞：腹板屈曲后強度；彈性分析；焊縫檢測

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.017

Abstract:This paper summarizes several characteristics of light-weight steel structure about gabled frames and internal-force calculation.Some common design problems in the design process are also described and analysed.

收稿日期：2015-02-20.

作者簡介：李來軍(1982-)，工程師.E-mail:lljdyx@hotmail.com

Several Design Problems and Industrial Applications

of Light-weight Steel Structure

LILai-jun

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:post-buckling strength of web plate；elastic analysis；weld inspection

鋼結構以鋼材為主要建筑材料，由于鋼材質量輕、強度高、韌性和塑性好，同時結構上也具有抗震性能好、造型方便多樣、工廠化制造程度高、施工安裝周期短等特點，使得鋼結構在工業、民用等領域內都有著越來越廣泛的應用。

門式剛架輕型房屋鋼結構主要用于輕型的廠房、倉庫及大型超市等需要較大跨度的場所，可以滿足較大敞開空間的要求，其在我國的工程應用大約始于20世紀80年代初期。隨著《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(下簡稱《門規》)于1998年頒布實行后，更是得到了迅速發展。

1單層門式剛架結構的組成和特點

1)適用于《門規》的單層房屋鋼結構主要指以單跨或多跨實腹門式剛架為主要承重結構，具有輕型屋蓋和外墻，無橋式吊車或有起重量不大于20 t的A1~A5工作級別橋式吊車或3 t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構。實腹式門式剛架多用輕型焊接H型鋼作為主要承重骨架，并輔以適當的支撐結構。屋面及墻面檁條多用冷彎薄壁型鋼制作。屋面、墻面板多以壓型鋼板制作，并采用巖棉、玻璃棉、泡沫塑料等作為保溫隔熱材料。

2)由于圍護結構多采用輕質材料，因此結構整體質量很輕，相同跨度和荷載條件下的用鋼量較少減少，同一地質條件下基礎也可做得比較小。同時地震作用也小，使得一般情況下地震作用參與的內力組合在鋼架構件設計中起不到控制作用。但是較輕的質量也會使得風荷載對門式剛架產生比較大的影響，風載較大時可成為控制荷載，還可使輕型屋面的受力方向反向。

3)輕型鋼結構的主要構配件都是在工廠制作的，質量易于保證，現場安裝快速，施工方便，工程施工周期短。由于板件較薄，外力撞擊容易發生局部變形，銹蝕也會使構件截面削弱。因此，輕型鋼結構對加工制作、涂裝、運輸及安裝的要求較高，需要在運輸和安裝過程中采取必要措施防止構件腐蝕變形。

2剛架的內力分析及實腹式構件的內力計算

1)在變截面門式剛架的計算中，確定各種內力采用的是彈性分析方法。采用相關軟件進行內力分析時多按平面結構考慮，一般不考慮應力蒙皮效應。蒙皮效應是將屋面板視為沿房屋全長伸展的深梁來承受平面內荷載，但這個作用很難加以利用，僅當有必要且有條件時才考慮此因素。

2)內力分析方法一般有結構力學方法、有限元法(直接剛度法)、利用靜力計算公式和圖表分析法。構件分段可采用楔形單元，地震作用效應可采用底部剪力法來考慮。

對等截面門式剛架，內力分析亦可參考上述方法進行。對于不直接承受動力荷載的情況，允許采用考慮構件沿長度方向的截面間的內力重分配，即在構件全部為等截面時，允許采用塑性分析方法，此時需按國家標準《鋼結構設計規范》(下簡稱《鋼規》)的要求設計。

塑性分析方法是指在超靜定結構中按預想的截面部位達到屈服強度而出現塑性鉸，并能產生所需的轉動，使結構形成機構，最終可能形成靜定結構，進而達到塑性內力重分布的目的，但必須保證結構不形成可變或瞬變體系。也因此，塑性分析要求對構件中的板件寬厚比嚴加控制，以避免由于板件局部失穩而降低構件的承載能力。

對變截面構件，因為門式剛架達到極限承載力時，可能會在多個截面同時或接近同時出現塑性鉸而使剛架瞬間形成機動體系，故不宜利用塑性鉸出現后的內力重分布，而且變截面門式剛架構件的腹板經常用得很薄，截面塑性發展的潛力不大。因此，各種規范及軟件中的內力計算多采用彈性分析方法，而僅在構件全部為等截面時才允許采用塑性分析方法，只是這種情況下需按《鋼規》進行設計，現在此種情況在實際工程中已很少采用。而對于等截面構件彈性設計時，可考慮與變截面構件相同的方法計算。

3)考慮屈曲后強度方法是指受彎構件的腹板喪失局部穩定后仍具有一定的承載能力，構件計算時可充分利用腹板屈曲后承載力的一種構件計算方法。工字型截面受彎構件中的腹板以受剪為主，翼緣以抗彎為主，增大腹板高度可直接增大截面慣性矩，有利于翼緣抗彎能力的發揮，但增大腹板高度的同時也相應增大厚度的話，腹板用鋼量會增加較多，相比而言會增加成本。允許腹板發生局部屈曲，并利用板件的屈曲后強度，可使腹板寬厚比放大，腹板高度增大而厚度較薄，可顯著減少腹板的厚度，節省鋼材。

考慮屈曲后強度的腹板抗剪承載力的計算方法很多，《門規》中采用的是一種簡化方法，即用有效寬度計算截面特性，其計算結果屬于下限。但當腹板高度變化超過60 mm/m時，《門規》中的6.1.1款不適用，此時不宜利用屈曲后抗剪承載力，PKPM軟件中的鋼結構相關模塊即采用的此種方法。

3計算設計中的軟件應用及一些問題

1)門式剛架輕型房屋整體建筑的結構組成，可以分為橫向平面內鋼架、縱向及橫向的支承體系和圍護結構。在PKPM的鋼結構相關模塊中，整體結構通常是簡化為平面結構計算，即橫向平面內的剛架構件按二維模型進行建模計算。縱向布置相應的支撐體系并加以必要的輔助計算，而屋面及墻面圍護結構部分均按對應的構件進行相應計算。

2)門式剛架中較大跨度的鋼梁需要分段，主要需根據運輸及施工等實際情況、建筑柱網及計算受力條件將鋼梁分成合適的長度及段數。分段點可盡量取在彎矩較小處，在梁柱相接處，通常梁端彎矩較大，工字型構件截面高度也會較高。如果需要考慮腹板屈曲后強度，則需要調整此梁段的長度，使腹板高度變化率符合《門規》要求，否則該梁段不滿足變化率的條件。腹板高厚比等限值要按照《鋼規》中的相關條文進行控制，此時若需要增加板件的厚度，就會使材料用量增加，同時也增加了結構自身的質量。

當屋面斜坡較長時，坡度經常不超過1∶5，如成品倉庫單坡長度經常超過40 m，坡度常為1∶15或1∶18，此時因為斜梁的軸力很小，計算時可按壓彎構件計算其強度和剛架平面外的穩定。若不計算平面內的穩定，軟件中的選項可不勾選。

3)通常軟件可自動計算各構件平面內的計算長度，設計時僅需指定平面外的計算長度。對于設置有吊車的鋼柱，其平面外計算長度的指定需綜合考慮剛性系桿的布置及牛腿所在位置，使交節點可以直接傳遞外力；在有柱間支撐的鋼柱處，可在吊車梁與鋼柱之間設置隅撐，以適當考慮吊車縱向荷載作用點與鋼柱之間的偏心；對鋼梁的平面外計算長度，取2倍屋面檁條間距的方法也已有較多實例工程可供參考。

在門式剛架結構中，剛性系桿及柱間支撐是很重要的縱向連接構件，通常按照《門規》中的長細比及實際的計算長度進行設計控制即可。但當建筑布置有吊車以及風荷載較大或山墻面受風荷載面積較大時，應對受力系桿及支撐進行必要的輔助計算復核。

4)節點的設計中，2012版的《門規》新增了部分關于梁與柱連接節點剛度計算的條文，強調了此處的剛度對剛架整體剛度的重要性。同時，也指出了一些提高節點剛度的措施，如設置斜加勁肋、局部加厚腹板等，可根據實際情況應用。

考慮到鋼結構焊接工藝的特點，一般在設計時，對于一些不太方便進行焊接操作的地方，如梁柱端板相連處以及系桿與梁相連處多采用螺栓連接的方式，使用高強螺栓等直接安裝，以避免高處作業的不便以及隨之而來的連接節點的不可靠。

門式剛架通常采用外露式鋼柱腳，通過錨栓固定于基礎之上，而錨栓有Q235和Q345兩種材料之分，為了充分發揮材料強度，Q345材質的錨栓錨固在基礎中的長度是要比Q235的長一些。因此，綜合考慮柱腳受力情況和錨栓長度，采用Q235材質是可以節省部分材料的。

5)對于屋面檁條設計，需考慮實際中壓型鋼板屋面是否能阻止上翼緣受壓側向失穩，如果屋面連接采用可活動扣件時，按屋面不能阻止考慮。而當屋面可阻止上翼緣失穩時，需要注意《門規》附錄E的適用條件，即面板的基板厚度不小于0.66 mm。計算軟件中亦有相關參數選項可選，對于成品倉庫這種屋面范圍較大的建筑，實際情況中，考慮到溫度變化引起的材料熱脹冷縮等問題，使用的多是可活動扣件，此時軟件中的選項通常不勾選。

6)坡屋面較長時，過長的坡面會使沿坡面向下的分力積累，屋脊處最大，因檁條板材較薄，所以拉條承載力通常比檁條孔壁承載力大，螺帽會先從孔壁中拔出。因此，坡長較長時建議增設斜拉條，把坡面向下方向的分荷載分段導向鋼架梁。同理，墻面較高時也可適當增設斜拉條。斜拉條的張拉角不宜太小，最邊處兩道檁條檁距過小時，斜拉條可內移一檁距，并在外邊的檁條之間設置剛性桿連接。

7)焊接是鋼結構的主要連接方式之一，圖紙中對于焊縫的質量等級，應根據結構的形式、環境、荷載條件及構件的受力方式等因素對不同的焊縫形式提出明確、具體且合理的質量等級要求，以符合相關規范的規定。同時，也要避免給鋼結構制作及施工等單位帶來不必要的困難。

《鋼結構工程施工質量驗收規范》規定，焊縫質量檢查標準分為三級，對應有外觀檢驗和無損檢測，所有焊縫均應冷卻到環境溫度后進行外觀檢查。其中第三級只要求通過外觀檢查，即檢查焊縫實際尺寸是否符合設計要求和有無看得見的裂紋、咬邊等缺陷，我國現階段規范對三級焊縫是不進行無損探傷的。對于重要結構或要求焊縫金屬強度等于被焊金屬強度的對接焊縫，必須進行一級或二級質量等級對應的檢驗，即在外觀檢查的基礎上再做無損檢驗，且無損檢測應在外觀檢查合格后進行。

鋼結構第一階段設計圖紙中，對焊縫等級是應該有符合設計深度的設計標注的，設計者應對各種焊縫的表示方法有清晰的認識。通常只有需要進行疲勞計算的構件，且作用的拉力垂直于焊縫長度方向的橫向對接熔透焊縫或T形對接與角接組合熔透焊縫才要求一級，其余情況可根據《鋼規》中相關條文進行判斷。對于角焊縫，實際情況中多為三級，但有些情況下可要求外觀二級，只是一般情況下，重要的連接焊縫是不采用角焊縫的，《鋼結構焊接規范》中有相關表格，對不同等級對應的檢測要求有詳細描述。基本上受拉焊縫的質量等級高于受壓或受剪的焊縫，受動力荷載的焊縫質量等級要高于受靜力荷載的焊縫，熔透的要求與母材等強的對接焊縫的質量等級不能低于二級，應盡量避免不分具體情況就把焊縫等級提高的設計要求。

參考文獻

[1]CECS 102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].2012.

[2]GB 50661—2011，鋼結構焊接規范[S].

[3]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4]《鋼結構設計手冊》編輯委員會. 鋼結構設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

[5]李星榮. 鋼結構連接節點設計手冊[M]. 第2版. 北京：中國建筑工業出版社，2005.

[6]陳紹蕃，顧強. 鋼結構[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

[7]丘鶴年. 鋼結構設計禁忌及實例[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

[8]崔佳，魏明鐘，等. 鋼結構設計規范理解與應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.