門式剛架結構廠房設計與分析

任峰

摘要：隨著我國經濟的飛速發展，鋼結構廠房越來越多的應用在工業建筑中，尤其是一些重型廠房的建設，受到混凝土結構性能的限制，更多地采用鋼結構，鋼結構與混凝土結構相比，具有質量輕，剛度大，抗震性能好，建造速度快，工廠化程度高，環境影響小等優點，鋼管混凝土柱更是充分發揮了鋼材受拉混凝土受壓的優勢，大大提高了剛架的承載能力和側向剛度，使結構具有良好的經濟效益。

關鍵詞：門式；剛架；鋼結構；廠房；設計；分析

1 門式剛架結構的特點

門式剛架輕型房屋鋼結構起源于美國，經歷了近百年的發展，目前已成為設計、制作與施工標準相對完善的一種結構體系。作為傳統的結構體系之一，門式剛架結構主要包括剛架梁、剛架柱、支撐、屋蓋體系和山墻骨架等。門式剛架結構受力簡單、傳力路徑明確、構件制作快捷、施工技術成熟、施工周期短。因此廣泛應用于工業、商業及文化娛樂公共設施等工業與民用建筑中。

門式剛架結構已成為當今輕型化建筑結構的主要形式。它能夠有效地利用材料，其構件尺寸小，重量輕，可以在工廠進行批量生產，能夠保證質量，在工地安裝連接方便快捷，柱網尺寸布置自由靈活、能滿足不同氣候環境條件下的施工和使用要求。其優越性和經濟效益是不言而喻的。在鋼結構廠房中，帶吊車門式剛架結構廠房具有上述特點，廣泛應用于工業廠房中。

2 門式剛架結構的設計

2.1 柱間支撐的設計

支撐系統對剛架結構具有十分重要的作用，支撐的布置、截面形式既要滿足結構穩定性的要求，也要滿足工藝生產流程的要求。

柱間支撐的布置應遵循《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）的規定，柱間支撐形式宜采用交叉式，也可以根據具體條件采用人字形。如工藝要求考慮柱間交通或設備布置以及柱距較大時，可采用門架式支撐。

交叉式支撐的斜桿與水平面的交角宜取35～55度，且不宜大于55度。

柱間支撐承受水平力作用，包括風荷載、吊車縱向水平荷載、作用在廠房結構上的其他水平荷載以及抗震設計時廠房地震作用。各種水平荷載均按集中力作用在支撐節點上考慮。

（4）當廠房結構單元的縱向長度大于規定的伸縮縫最大間距的規定時，尚應考慮季節溫度變化引起的溫度作用。

柱間支撐的連接應滿足以下規定：

支撐桿件之間相交連接點以及支撐與柱的連接點應設置節點板，節點板的厚度根據計算確定，但不可小于10mm。

（2）支撐桿與交叉點節點板的連接應采用焊接，與端部節點板的連接宜采用焊接，也可以采用高強螺栓連接。

（3）柱間支撐節點連接焊縫及柱內預埋件的承載力應大于支撐桿件的承載力，一般情況下，節點連接焊縫及柱內預埋件計算的作用力設計值取支撐桿件全截面抗拉強度設計值。對于單角鋼交叉式支撐桿，其端部的連接計算應計入強度折減，強度折減系數系按國家現行標準《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）的規定采用。

（4）交叉式支撐桿有一根在交叉點中斷時，交叉節點板應予加強，其承載力不小于支撐桿件承載力的1.1倍。

（5）支撐桿件的截面應力比不宜大于0.75。

（6）柱間支撐節點板與鋼筋混凝土柱預埋件的連接以及與鋼柱的連接應采用焊接。

（7）柱間支撐與構件連接不應小于支撐桿件塑性承載力的1.2倍。

2.2 屋蓋支撐的設計

（1）屋蓋上下弦水平橫向支撐承受風荷載、懸掛吊車水平荷載和地震作用。傳遞給縱向柱列。同一廠房結構單元由屋蓋承受的水平荷載和地震作用，由該結構單元所有的橫向水平支撐共同承受。

（2）橫向水平支撐可采用交叉腹桿桁架形式。

（3）橫向水平支撐在水平荷載和地震作用下，桿件內力按水平桁架進行計算，每個節點的交叉斜腹桿按一根受拉，另外一根為零桿考慮。

支撐桿件和連接構造應滿足下列要求：

支撐和系桿桿件宜采用型鋼。壓桿宜采用雙角鋼組成的十字形或T形截面；拉桿可采用單角鋼。

（2）支撐桿件之間以及支撐（系桿）與屋架應采用節點板連接，節點板的厚度一般采用6～8mm。支撐（系桿）與屋架采用螺栓連接時，每個節點不應少于兩個螺栓，直徑不小于16mm。

3 鋼結構廠房的設計過程中需要注意的問題

1）鋼結構廠房的結構布局在滿足工藝要求的前提下，應著重結構的空間整體性和各種水平荷載的傳遞路線的連續性。屋蓋支撐，柱間支撐及圍護結構的布置必須合理，以保障廠房的縱橫向穩定和剛度，滿足強度和變形的要求。

2）對于鋼結構廠房，要嚴格控制節點位移，尤其要保證柱頂及吊車梁頂面處的位移量。相對而言，在保證吊車設備正常運行的前提下，鋼梁的撓度可適當放寬，有時為達到節約鋼材量的目的，可通過預先起拱等施工技術達到設計要求。

3）在剛架的整體計算時，應考慮吊車橋架引起的地震作用對結構的影響。

4）支撐桿件除抵抗風荷載，吊車荷載及與支撐平面平行的各種荷載外，還應滿足穩定性及長細比等的要求，同時還必須具有一定的抗側傾剛度。

5）目前對于鋼結構的設計方法是以概率論為基礎的極限狀態設計法。但此種方法在設計中存在一定的缺陷。

（1）結構內力計算模式與構件承載力計算模式不一致；（2）結構整體失穩的計算模式與實際失穩狀態不一致；（3）不同結構整體承載力極限狀態可靠度水平不一致；（4）現行設計方法不能準確預測結構體系的破壞模式和極限承載力。因此在設計過程中，構件的尺寸不能僅僅滿足計算的要求，更應該符合構造的要求，概念設計更重要。

總而言之，隨著生產力的不斷發展，鋼結構廠房的設計要求也會越來越高，規模越來越大。因此在現有理論和經驗的基礎上，還應繼續不斷完善和創新。

參考文獻

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