門式剛架鋼結構設計要點

呂鵬飛

中國石油吉林石化礦區服務事業部

門式剛架輕型房屋鋼結構屬輕型鋼結構的一個分支，發展至今無論設計制作、施工標準都有完善的體系及標準可查。門式剛架建造的建筑物具有質量輕、建造周期短、外形美觀、標準化程度高以及綜合成本低等優點。近年來，隨著經濟建設的需求，大量門式剛架輕型鋼結構廠房應用到工程建設中[1]。

1 應用范圍及技術特征

1.1 應用范圍

節能環保型材料被廣泛用于門式剛架輕型房屋鋼結構建設中以達到節能環保目的。基于此結構建造的房屋具有眾多優點，可適應不同的氣候，市場應用前景廣泛，如工程建設中的臨時工人宿舍、居民區附近的大型便民市場、臨時搭建用于展示商品的展館、造車廠的大型庫房或周轉車間、各種工業廠房以及農村的民居等。

1.2 技術特點

門式剛架與一般普通鋼結構相比具有以下幾方面明顯優勢：橫截面小，占用空間小，有效增大空間利用率；方便結構布置，適用各種建筑造型；剛度好，在相同密度下可實現高強度；工廠化預制，快速組裝，縮短施工周期；建設成本低，用鋼量為普通鋼結構的1/5。

2 結構設計

2.1 國標圖集及標準規范

國家標準圖GB 51022《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》為鋼結構單層房屋的設計、制作和安裝提供指導。風荷載按照GB 50009《建筑結構荷載規范》附錄中的風壓表并參照風壓圖，查取當地50 年一遇基本風壓。由于對雪載荷較敏感，需要遵循GB51022 附錄中的要求進行設計[2]，同時從GB50009 附錄中查取當地100 年內基本雪壓情況[3]。檁條按GB 50018《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》進行計算和校核[4]。設計時要根據抗震等級（1～3 級）和GB50010 來計算以下三個指標：①鋼筋抗拉強度與屈服強度比值要求；②屈服強度實測值與屈服強度標準值比值要求；③伸長率要求[5]，應參照16G101-1/58國家標準圖，以確定受拉鋼筋的錨固長度[6]。甲、乙類廠房的墻面、屋面及外門窗泄爆構造可按14J938國家標準圖集設計[7]。防火設計應滿足GB 50016[8]和建標-152[9]要求。工業廠房的節能設計須按照GB 51245[10]來確定建筑類別。由GB 50176[11]中查得建設地區所屬的氣候分區，依據屋面、外墻、外門窗、屋頂透光部等具體情況及尺寸進行體形系數計算。建筑經熱工計算各圍護結構熱工性能后須滿足GB 51245 相關要求。按GB50153[12]確定廠房結構安全等級，按照GB/T 50046來確定鋼結構保護層厚度[13]。

2.2 結構方案確定

從所受力的傳輸路徑角度分析，門式剛架鋼結構具有空間化特點，這與傳統的鋼結構在組成方式上具有很大區別，門式剛架鋼結構內部的鋼架、鋼板等相互連接和依托，形成了有力的空間支撐。

從鋼架型式角度可將門式剛架承重結構分為兩種：一種是無內柱單跨結構，其跨度范圍為0～48 m；另一種是有內柱多跨連續結構，其跨度范圍為0～30 m。除上述兩種比較常用結構外，還可以從單坡多坡、多跨等高或者不等高等幾個角度分為其他不同的型式。

鋼筋混凝土獨立式基礎是目前采用的最廣泛、最可靠的基礎型式。在實際設計時，要從成本、收益等經濟角度和側向受力變形位移等可靠性角度進行多方案比選，合理地確定鋼架承重結構方案[14]。

2.3 材料選擇

鋼結構構件所采用的鋼材應滿足荷載特征、結構承重、環境溫度等諸多因素的要求，同時須考慮鋼材性能和質量來進行綜合經濟對比分析。鋼材宜選用Q235B～Q235D 及Q355B～Q355E；結構設計強度控制時，可選用強度高的鋼材；撓度控制時，可選用Q235 鋼材；存在疲勞破壞時，高強度鋼效果不佳；結構穩定控制時，低強度鋼更經濟。

3 工程實例

以西部地區某天然氣壓縮機罩棚為例，對此類結構的設計過程進行分析。

3.1 建筑概述

罩棚跨度24 m，柱距6 m，共7 跨，長42 m，高度14 m，牛腿標高10.8 m。罩棚采用單層彩鋼板雙坡屋面，四面開敞無圍護墻及門窗。屋面設有排水，設檐溝及雨水管，兼有防冰溜掉落傷人的作用。罩棚的結構安全等級設計采用二級。

3.2 上部結構參數設計

（1）高寬比。罩棚高度14m，寬度24 m，高寬比小于1，滿足GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》第1.0.2條要求，適用此規范。

（2）風荷載與雪荷載。按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》查取當地基本風壓，參照規范附錄中的風壓圖，采用50 年一遇基本風壓w0=0.55 kPa。從GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》查取當地100年重現期基本雪壓s0=0.20 kPa。

（3）鋼材選用。建設地區為寒冷地區，室外環境絕對最低氣溫大于-20 ℃，采用Q235B或Q355B鋼材。

（4）屋面板。屋面采用0.8 mm 厚單層彩鋼板，可滿足耐久性要求和屋面防雷構件的需要，彩鋼板展平荷載0.8×78.5×10-3=0.063(kPa)。

3.3 門式剛架鋼結構梁柱設計

3.3.1 門剛梁柱截面初選

本項目的建筑中牛腿及柱頂高度較高，不能按19G518-3 《門式剛架輕型房屋鋼結構（有吊車）》選型。牛腿以上截面參考19G518-3 中的GJL24-2 截面，對應24 m 跨6 m 柱距5 t 單梁式吊車；牛腿以下截面（下柱）參照19G518-3 中柱頂較高、跨度較大的門剛結構，待結構計算復核最后確定。

3.3.2 門式剛架主剛架風壓計算

參照GB 51022—2015中的4.2節：

式中：系數β=1.1；μw為風荷載系數，開敞雙坡各區可取μw=-0.75、0.75、-0.5；μz為風壓高度變化系數；按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》）8.2.1，粗糙度B類，13 m高度取1.1。

屋面梁風吸力線荷，0.33 kPa×6 m=2.0 kN/m，墻面按2 m寬（6 m柱距無墻通透折減），0.5 kPa×2 m=1.0 kN/m加在柱上。

3.4 支撐系統設計

屋面水平支撐、系桿按19G518-3《門式剛架輕型房屋鋼結構（有吊車）》布置；上柱支撐按19G518-3 中相關構造布置；下柱高寬比接近于2，采用雙層交叉支撐受力較好，因19G518-3 中無合適的下柱支撐可選用，因此為下柱支撐（雙層交叉支撐），采用TSSD探索者軟件進行輔助設計，其中構件尺寸參考19G518-3中下柱柱間支撐桿件尺寸。

3.5 屋面檁條系統設計

3.5.1 檁條

檁條按GB 50018-2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》進行計算和校核。按GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》進行風荷載計算。

根據GB 51022-2015/19頁第4.2.1條可知：

式中：系數β取1.5；μw為風荷載系數，按GB 51022—2015 表4.2.2-4a 取值：吸力時-1.65，壓力時0.85；GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》表8.3.1中四面開敞雙坡坡度10°以下的體型系數為-1.3，偏小；μz為風壓高度變化系數，按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》8.2.1，粗糙度B 類下，15 m高度取1.13。

3.5.2 拉條

為克服風吸力，本次設計屋面拉條T改為雙拉條2T。

3.5.3 屋面檁條系統選用

按國家標準圖11G521-1《鋼檁條》，選用及布置檁條系統，檁條采用LC6-18.3，7.9 kg/m。拉條T和斜拉條XT（Φ12），0.89 kg/m。撐桿CG，D32×2（1.47 kg/m）+Φ12。檁距1.5 m，6 m 跨，約9 m2區塊內：LC6長6 m，T長1.5 m，合計48.7 kg，折算面荷0.05 kPa。檁條系統折算恒荷載取0.1 kPa。按照11G521-1《鋼檁條》對分別位于左側和右側的斜接條進行編號。按照11G521-1/21中的1-1 條，屋頂雙脊檁間距范圍為200m～500 mm。按照19G518-3/57和11G521-1/58，屋面隅撐YC不小于L50×5。

4 結論

門式剛架建造的建筑物標準化程度較高，每一個設計步驟都可遵循相關國家標準和國家標準圖集。總結設計要點如下：

（1）從上部結構的參數設計入手。主要設計參數有高寬比、風荷載與雪荷載、鋼材選用和屋面板。

（2）確定門式剛架鋼結構梁柱。門剛梁柱截面進行初步選擇并須計算出門式剛架風壓。

（3）設計支撐系統須同時考慮屋面水平支撐、系桿和柱間支撐。

（4）確定整個屋面檁條系統。利用GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》中的風荷載公式計算檁條的風荷載，并依據風吸力大小判斷拉條形式，按國家標準圖11G521-1《鋼檁條》選用及布置屋面檁條。

通過以上四個要點以及現有完善的體系和標準，可初步完成門式剛架輕型鋼結構的工程設計。