淺談輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮浩

【摘 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，輕型門式鋼架房屋結(jié)構(gòu)也得到迅速的發(fā)展。本文結(jié)合輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、用鋼量省、施工周期短、結(jié)構(gòu)布置靈活、綜合經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，闡述了輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)的問題，并提出了相應(yīng)的解決方法。

【關(guān)鍵詞】輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)；設(shè)計(jì)

1.前言

門式剛鋼架構(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，門式鋼架結(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(huì)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。本文從輕型門式鋼架結(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。

2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1質(zhì)量輕圍護(hù)結(jié)構(gòu)由壓型鋼板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等輕質(zhì)材料組成，恒載相對小，基礎(chǔ)比較小，整體結(jié)構(gòu)自重輕。

2.2工業(yè)化程度高施工周期短，主要構(gòu)件和配件均為工廠制作，構(gòu)件之間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，工地安裝方便。除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)，現(xiàn)場施工人員配置很少，勞動(dòng)強(qiáng)度輕。

2.3柱網(wǎng)布置靈活柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定，空間布置靈活，可廣泛用于大中小跨度、工業(yè)民用建筑。

2.4經(jīng)濟(jì)效益高采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期短；原材料的種類較少，易于籌措，便于運(yùn)輸；工程周期短，資金回報(bào)快，投資效益高。

3.設(shè)計(jì)步驟

3.1柱網(wǎng)布置的確定輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先要配合工藝要求進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置。在盡可能滿足生產(chǎn)工藝和使用功能上，根據(jù)房屋的高度確定合理的跨度。通過大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對門式剛架設(shè)計(jì)過程中柱網(wǎng)布置得出以下結(jié)論。（1）當(dāng)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（Q235B）為18～28kg/m2，當(dāng)跨度在21～48m之間的剛架單位用鋼量為25～40kg/m2，當(dāng)檐高為12m、跨度超過48m時(shí)宜采用多跨剛架（中間設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節(jié)約18%左右，因此設(shè)計(jì)門式剛架時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求選擇較為經(jīng)濟(jì)的跨度，不宜盲目追求大跨度。當(dāng)剛架跨度較小時(shí)，剛架用鋼量甚至占總用鋼量的50%以上，而其它各單用鋼量，特別是墻架梁、柱間支撐、屋面支撐，其用鋼量所占比例較小，因此，在設(shè)計(jì)門式剛架時(shí)應(yīng)精確設(shè)計(jì)，合理使用。（2）隨著柱距增大，其它各部分結(jié)構(gòu)的用鋼量均隨柱距的增加而增加，特別是吊車梁，由于柱距較大，須采用格構(gòu)形式，其用鋼量所占比例較大，并最終超過了剛架的用鋼量。其次是檁條，由于長細(xì)比的要求，用鋼量增加也較快。（3）綜合各項(xiàng)用鋼量，設(shè)計(jì)時(shí)可以做出多種方案進(jìn)行比較，最終選擇最佳方案。

3.2門式剛架荷載取值門式剛架房屋上作用的荷載一般有：豎向荷載和水平荷載，還有地震荷載。荷載應(yīng)根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）國家規(guī)范規(guī)定作相應(yīng)的取值。

3.3剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算方法

3.3.1內(nèi)力計(jì)算方法。

對于變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)剛架的梁柱全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)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(jī)計(jì)算。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)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。

3.3.2側(cè)移計(jì)算方法。

變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定，計(jì)算時(shí)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果最后驗(yàn)算時(shí)剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施進(jìn)行調(diào)整：放大柱或梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳。

3.4檁條、拉條和撐桿設(shè)計(jì)

（1）檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)沿截面兩個(gè)形心主軸方向計(jì)算彎矩。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對檁條進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。檁條設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮檁應(yīng)為冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對原有截面要減弱。同時(shí)強(qiáng)度計(jì)算要用凈斷面，要考慮釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。檁條設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構(gòu)件，而且也是剛架梁柱隅撐設(shè)置的支撐體，設(shè)置一定數(shù)量的隅撐可減少剛架平面外的計(jì)算長度，有效的保證了剛架的平面外整體穩(wěn)定性。撐桿的作用主要是限制檐檁和天窗缺口處邊檁向上或向下兩個(gè)方向的側(cè)向彎曲。（2）撐竿的長細(xì)比按壓桿要求λ≤220，可采用鋼管、方管或角鋼做成。目前也有采用鋼管內(nèi)設(shè)拉條的做法。撐竿處應(yīng)同時(shí)設(shè)置斜拉條。

3.5屋面支撐和柱間支撐設(shè)計(jì)

（1）屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且風(fēng)壓較大時(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時(shí)，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。（2）柱間支撐，對廠房來說，分為上層支撐和下層支撐。上層支撐計(jì)算時(shí)，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿按柔性拉桿計(jì)算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時(shí)一般用圓鋼，較大時(shí)應(yīng)采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時(shí)，應(yīng)交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計(jì)。

3.6隅撐的設(shè)計(jì)隅撐的作用

主要是阻止梁的下翼緣及柱的內(nèi)側(cè)翼緣失穩(wěn)。并在設(shè)計(jì)計(jì)算中作為減少梁柱的平面外計(jì)算長度的最不利側(cè)向支撐間的最大間距。隅撐之所以要設(shè)，是因?yàn)閯偧苄绷菏芰Φ淖兓Ｔ诤愫奢d和活荷載等荷載組合作用下，一般的梁受力是上翼緣受壓，下翼緣受拉，這樣檁條與鋼梁的有效連接為梁上翼緣的穩(wěn)定提供了可靠的支撐。所以一般情況下梁的平面外計(jì)算長度取兩倍的檁條間距，上翼緣的穩(wěn)定可以保證。但在受到風(fēng)吸力荷載作用時(shí)，下翼緣受壓，上翼緣受拉，這樣下翼緣的穩(wěn)定性沒有可靠的平面外支撐。因此，在梁的下翼緣上應(yīng)加設(shè)隅撐給鋼梁的下翼緣提供支撐。

4.結(jié)束語

隨著門式剛架結(jié)構(gòu)在我國的飛速發(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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