輕型門式剛架廠房設計相關問題的研究與優化

但 敏，賀培源

(1.內蒙古建筑職業技術學院，呼和浩特 010050； 2.內蒙古工業大學，呼和浩特 010050)

1 輕型門式剛架廠房特點

輕型門式剛架是種輕鋼結構，主要由剛架梁、剛架柱、檁條、圍護板等構件組成。除剛架梁與剛架柱采用熱軋型鋼外，其他材料主要是冷彎薄壁型鋼與壓型鋼板[1]。

1.1 輕鋼優勢

輕鋼結構承載力強，塑性、韌性好，適宜建造荷載大、跨度大、高聳的建筑結構。設計階段結構布置靈活，廠房施工空間利用率高。

1.2 施工簡便

門式剛架施工組織簡明，制作安裝簡便，施工質量可控可靠。加上相對其他結構形式所需鋼材少，施工成本也更低。在結構重要節點等部位設置支撐體系，可優化結構形式，縮短工期。

1.3 經濟效益好

構件及節點的工廠化、機械化、標準化生產降低了生產成本，縮短了工期。此外，鋼結構拆裝移動使得鋼材重復利用，更環保，同時其所創造的經濟效益也非常好。

2 案例分析

以某輕型門式剛架廠房為例，對設計中存在的幾個問題進行了研究。該廠房主體為鋼結構，設計使用年限50年。呼和浩特市抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為丙類，結構安全等級二級，場地粗糙度B類，采用柱下獨立基礎。

2.1 基礎設計

A.荷載計算：建立門式剛架結構模型并布置荷載。剛架柱所受荷載除計算結構所受荷載外，還要考慮偏心荷載的偏心距[1]。廠房里較多機械設備、貨物，進場會產生堆積荷載，需增大基礎偏心距，工程設計需對此進行驗算。門式剛架重量輕，水平荷載影響較大，因此在設計中應重視由風荷載引起的水平力。

B．加大基礎埋深：一般基礎埋置深度越淺造價越低。但為加大柱腳抗剪能力，降低抗剪鍵的位移及1/3埋深處的彎矩，必要時可增大基礎埋深。

C.改變基礎形式：基礎形式不同，內力差異很大，設計時需依據工程實際對廠房基礎形式進行調整。無鉸剛架為三次超靜定結構，內力分布較均勻，剛度好，但柱底彎矩較大，對基礎與地基的要求較高，在地基條件較差時需慎用。兩鉸剛架為一次超靜定結構，在豎向或水平荷載作用下，剛架內彎矩比無鉸剛架大，但其構造簡單，省工省料且基礎有轉角時，對結構內力無影響。三鉸剛架為靜定結構，溫度變化、地基變形或基礎不均勻沉降對結構內力無影響，但三鉸剛架梁柱節點彎矩較大，剛度小，不適于重型橋式吊車廠房，僅用于無吊車或小噸位懸掛吊車的廠房。

2.2 屋面構件的布置

部分工程人員因對建筑力學知識不熟，屋面構件布置時，僅設置直拉條而未設置或部分設置斜拉條及撐桿，這是不合理的。拉條可防止檁條側向變形及扭轉，并為其提供側向支承。因此在屋脊處、檐口處及天窗兩側應設置剛性撐桿和斜拉條，拉條數量要足夠。檁條跨度>4 m時，應在檁條跨度二分點處設置拉條；當檁條跨度>6 m時，應在檁條跨度三分點處各設一道拉條。

當剛架梁下翼緣受壓時，須在受壓翼緣兩側布置隅撐(山墻處剛架僅布置在一側)作為剛架梁的側向支承，隅撐另一端連接在檁條上。該廠房底部1.2 m采用砌體墻面，在剛架柱外皮砌筑構造柱，在窗頂布置圈梁，圈梁與構造柱整澆。由于圈梁和砌體墻對剛架柱作用在柱的外側翼緣，而實際剛架柱是內側翼緣受壓且材料屬性差異大，受荷可能會引發墻體開裂及剛架柱失穩。對此，設計人員應通過增設縱向通長系桿的數量加強鋼架柱的整體穩定性，且此系桿作為廠房縱向承重體系的重要部分，與其他支撐體系互不影響[2]。

2.3 柱間支撐的布置

柱間支撐和屋面支撐應布置在同一開間內，形成抵抗縱向水平荷載的空間桁架。支撐間距一般為30～45 m，不應超過60 m。支撐桿為45°傳遞水平荷載最有效，當剛架柱較高，布置單層柱間支撐角度無法滿足要求時，可布置上下雙層柱間支撐。支撐可布置在溫度區段的第一或第二開間，當布置在第二開間時，第一開間應設置剛性系桿，剛架柱頂、屋脊等重要節點處應設置通長剛性系桿。

2.4 柱腳設計

本工程采用剛性柱腳，針對部分柱腳底板孔隙，剛架吊裝完畢后，須用細石混凝土灌漿密實見圖1，確保柱腳可靠傳遞彎矩。為此，在設計環節就要對柱腳底板開孔溢漿，并在圖紙上進行補充說明，為工程二次澆筑做好準備。本工程基礎埋置于季節性漲水河槽附近，柱腳易產生銹蝕問題，依據《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2001)有關規定[3]及地質水文資料，使用低強度混凝土對地面以下鋼柱腳進行了防護，混凝土保護層取100 mm且高出地面250 mm。

圖1 剛架柱柱腳

圖2 抗風柱與剛架梁連接節點

2.5 抗風柱設置

工程上有兩種簡易的門式剛架抗風柱做法：A.將山墻抗風柱與剛架梁連接，抗風柱作為承重構件相應地承擔橫向和縱向水平荷載。但通常又不作剛架縱向受力分析，作為邊榀抗風柱，荷載首當其沖，如果沒有可靠的縱向傳力構件，這樣會使抗風柱成為危險構件，此種做法不妥。B.抗風柱與剛架柱同在山墻位置，抗風柱鉸接于鋼架梁，不考慮抗風柱豎向荷載作用。這種做法最大弊端是難以有效傳遞風荷載。本工程采用邊榀剛架與抗風柱錯開600 mm，抗風柱與剛架梁通過焊接連接板采用長圓形螺栓孔相連，連接螺栓采用普通螺栓，做法見圖2，可避免構造缺陷。

3 結語

輕型門式剛架具有諸多優點，是工業、住宅及公共建筑結構的重要形式之一。結合工程實踐對輕型門式剛架廠房設計中存在的問題，在基礎設計、屋面構件布置、柱腳設計和抗風柱連接上進行研究總結并提出優化措施，以供參考。