關于某超高門式剛架輕鋼結構設計的研究

孫廣強

[摘 要]在設計某超高門式剛架工程時，要把規范理解和軟件計算與前者結合起來，并通過控制和選取幾個比較重要的參數，如板件寬厚比、載荷等。從而使設計思路更加簡便，使相關的經濟支出盡量控制在比較低的范圍之內，并為以后的超高門式剛架設計提供一些簡單的參考。

[關鍵詞]超高門式鋼架;輕鋼結構;設計

[中圖分類號]TU392.5 [文獻標識碼]A

隨著我國社會主義市場經濟的不斷發展，對于建筑工程的施工周期也提出了更高的要求，如何在保證工程質量的前提下用更短的時間完成建筑工程的施工成了一個急需解決的問題，在這種情況下多快好省的鋼結構獲得了迅速的發展。而在鋼結構形式中門式剛架是一種比較傳統的形式，廣泛應用于庫房、廠房等結構中。

1 門式剛架輕鋼結構設計中需要注意的問題

1.1 荷載取值

屋面材料的自重就是屋面恒載，主要包括以下幾個方面：支撐系統、屋面板等，一般情況下0.04kN/m2-0.06kN/m2之間的值為支撐自重，對于屋面板來說，屋面材料的不同往往導致出現差別很大的自重。例如，自重在0.24kN/m2左右的是100厚彩鋼巖棉夾芯板，自重在0.12kN/m2左右的是100厚彩鋼夾聚苯乙烯保溫板，而自重在0.14kN/m2左右的則是輕質的GRC保溫板。但是在實際的建筑工程設計中很多技術人員在對屋面恒載進行取值時往往不考慮實際情況輕率地取為0.3kN/m2，這樣不僅會浪費原材料，還會使建筑物的質量大打折扣并留下安全隱患。因此，計算屋面恒荷時應充分考慮到因屋面板材的不同而存在的差異，不能一概而論輕率地取某固定的值，還有一點需要特別注意的是屋面恒荷的取值應在0.2kN/m2以上。對于屋面活荷來說，在現行的技術規范中，如GB50017-2012鋼結構設計規范等一般情況下都取值為0.5kN/m2，但是在實際中如果構件的荷載面積在六十平方米以上，那么活荷載在進行取值時可以乘折減系數0.6，也就是說這時的活荷載取值可以是0.3kN/m2。符合這個條件的門式剛架，可以取活荷載的值為0.3kN/m2。而在歐美國家的現行規定中，在設計門式剛架輕型鋼結構房屋時，在原有荷載的基礎上要增加0.15kN/m2-0.5kN/m2。這樣做的主要原因是在極端天氣條件下應對可能出現的超載現象。這種做法目前并沒有在我國大范圍推行，在我國相關的技術規范中也沒有規定。因此，在進行屋面活荷載的取值時，建議取值為0.5kN/m2或者以上，不應小于0.5kN/m2。

1.2 鋼材與剛架截面的選取

通常來說，跨度比較小的剛架，一般由強度控制結構。在這種情況下，選用鋼材時要注重鋼材的強度等級，盡量選擇強度等級較高的鋼材，這樣的鋼材翼緣都比較厚，從而使構件的截面高度能夠盡量減小，這樣一方面能夠使造價降低，另一方面能夠使結構的安全性得到保證。對于跨度比較大的剛架來說，一般由鋼梁撓度控制結構，這時就要選用翼緣比較薄的鋼材，這種鋼材的腹板一般比較高，這樣鋼梁撓度才能夠得到有效的控制，同時還能夠保證有一定的結構應力。由于撓度不受鋼材強度的影響，因此相關的設計人員可選用價格較低的鋼材，這樣不僅安全可靠，而且經濟劃算。構件不僅要滿足撓度和強度的要求，同時還要滿足局部穩定的要求，所謂的局部穩定就是指腹板應該達到高厚比的要求，翼緣應該達到寬厚比的要求。在《鋼結構設計規范》中所規定的腹板高厚比要比《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中的規定嚴格許多，這是因為腹板的屈曲后強度也在輕鋼結構設計的考慮范圍中。只有腹板的高度變化在不超過60mm的情況下，才能夠利用腹板屈曲后強度。因此，不能為了降低經濟成本而大幅減少用鋼量，從而使變截面構件小端頭截面高度過多地減小。

2 工程概況

某地毛米倉的高度為二十米，跨度為三十米，倉庫里面是十六米高的鋼板倉，沒有吊車等設備，有一千六百五十平方米建筑面積，室內外的高差為三百毫米，要求采用門式剛結構進行設計安裝。此外，該地為七度的抗震設防烈度，基本的地震加速度值在設計中為0.10g。該地距離海洋較近，基本的風壓0.6kN/m2。工程中采用Q345B級鋼，結構安全等級為2級。

3 結構布置

焊接H型截面門式剛架是該工程的主承力體系，壓型鋼板輕型材料是建造外墻圍護結構和屋頂的主要材料。剛架柱柱腳固結，要采用全高等截面的柱子。為了使柱子平面外的計算長度能夠盡量減小，使整體結構空間的穩定性得到保證，就要在廠房縱向每榀鋼架柱間除了設置剛性系桿在柱頂之外，還要額外設置兩道剛性系桿在柱中。同時還要設置通長剛系桿在屋蓋的縱向，它們之間的間距一般在四點五米到五點五米之間。

4 結構設計分析

該建筑工程的實際高度為二十米，這個值高于GB51022-2015《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》中十八米的要求，因此在實際的設計過程中不能完全參照《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》，應該對其他結構的設計規范進行參考。

4.1 載荷

恒載、活載以及風荷載都在載荷需要考慮的范圍之內。其中根據《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》和GB5009-2012《建筑結構荷載規范》取風荷載的較大值。經過對比可以發現，柱子有更大的《建筑結構荷載規范》風荷載，而梁有更大的《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》風荷載。鑒于以上這種情況，建議采用《建筑結構荷載規范》風荷載來進行結構整體的計算，在進行屋面斜梁的驗算時可以使用《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》風荷載。在輸入柱子的風荷載后，計算時可以采用梯形荷載等方式。

4.2 板件寬厚比控制

確保廠房框架延性的重要指標之一就是構件的板件寬厚比，另外這個指標還對建筑工程中單位面積用鋼量有著重大的影響。因為《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》的限制高度已經不適用于該建筑工程，因此在進行控制時不建議采用《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規范》。對于輕屋蓋廠房來說，如果它的設防烈度在八度或者以下，就能夠采用性能化設計，這種方法有兩種情況：一是低延性和高彈性承載力，二是高延性和低彈性承載力，也就是說在不同地震作用的承載力情況下，如果構件的強度和穩定都能夠達到的一定的要求，那么就允許構件在計算彈性設計階段板件寬厚比時采用不同的限值。該建筑工程的性能設計方法采用“低延性和高彈性承載力”，也就是說當有較高的地震作用承載力時，如果結構能夠滿足這一要求，就能夠允許構件在計算彈性設計階段板件寬厚比時采用比較低的限值，這就使板件寬厚比的要求在一定程度上放寬了。當有兩倍多的地震作用承載力時，如果結構能夠滿足這一要求，那么就允許構件在計算彈性階段板件寬厚比時采用GB50017-2003《鋼結構設計規規范》的限值。

4.3 柱頂位移控制以及梁撓度

在本建筑工程中沒有橋式吊車，因此可以采用《鋼結構設計規規范》中無橋式吊車的單層框架柱頂位移H/150的限值來進行柱頂位移的控制，但是從施工現場的實際情況出發，由于毛米倉距離廠房內鋼柱太近，因此在進行柱頂位移控制時，取限值的H/180。經過計算后，可以知道本建筑工程由風荷載控制柱頂的位移。為了使柱頂的水平位移得到充分的滿足，柱截面在增大時屋面的梁截面也要隨之增大，這樣就會很少使用到梁，同時還能夠充分保證梁的撓度。因此，在滿足整體計算要求和板件構造的基礎上，要使梁截面盡可能地減小，這樣有利于節約原材料。

5 結語

該建筑工程所選取的柱頂位移限值參數和荷載都比較合適，同時在設計超高門式剛架輕鋼結構時采用了“低延性和高彈性承載力”的性能設計方法，這樣一方面使結構的安全性得到保證，另一方面又降低了經濟成本。

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