談單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

白文彪 車文鵬 丁幼松

所謂單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，是指以輕型焊接H型鋼、熱軋H型鋼等構(gòu)成的實(shí)腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼做檁條、墻梁，以壓型金屬板做屋面、墻面，采用聚苯乙烯泡沫塑料、玻璃棉等作為保溫隔熱材料，并適當(dāng)設(shè)置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。其主要特點(diǎn)有:柱網(wǎng)布置比較靈活;跨度大;剛架可采用變截面;自重輕，用鋼量低;結(jié)構(gòu)構(gòu)件可全部在工廠制作。目前，單層輕型門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于廠房結(jié)構(gòu)中。本人通過一定的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐以及資料論文的學(xué)習(xí)，總結(jié)了門式剛架廠房設(shè)計(jì)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供大家參考。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 結(jié)構(gòu)形式

門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20～1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不是很大時，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3 t的懸掛吊車和起重量不大于20 t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

1)縱向溫度區(qū)段小于300 m，橫向溫度區(qū)段小于150 m。2)間距的合理布置。應(yīng)考慮到工藝要求，用鋼量的多少，屋面荷載，檁條的形式等因素。門式剛架的最優(yōu)間距應(yīng)在6 m～9 m之間，柱距不宜超過9 m。3)選擇合理的跨度、高度?？缍葢?yīng)根據(jù)房屋的高度進(jìn)行合理確定?？缍韧ǔ? m～36 m，宜在30 m以下，當(dāng)柱寬度不等時，其外側(cè)應(yīng)對齊。高度應(yīng)根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，宜取4.5 m～9 m。4)剛架的形式和截面?？刹捎萌q門式剛架、兩鉸門式剛架和無鉸門式剛架，形狀可以做成坡頂?shù)幕蚬靶蔚奈菝妗２捎弥c梁剛接，而柱腳均為鉸接的門式剛架形式較為合理。梁、柱截面有實(shí)腹式和格構(gòu)式，等截面和變截面之分，以及梁端、梁中加腋的形式。格構(gòu)式剛架常用于跨度較大的建筑，不論實(shí)腹式還是格構(gòu)式剛架，其梁柱構(gòu)件都可做成等截面或變截面的。對格構(gòu)式剛架，一般柱為變截面，橫梁可采用等截面。

2 荷載選擇

1)永久荷載。永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等。

2)可變荷載?？勺兒奢d包括屋面活荷載、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等。

3)荷載組合。荷載組合按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，應(yīng)注意懸掛荷載不可遺漏;對于多跨多坡廠房或有女兒墻、天溝的廠房還應(yīng)考慮風(fēng)、雪荷載不利作用和活荷載的不利布置的影響。

3 剛架設(shè)計(jì)

1)剛架內(nèi)力計(jì)算。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)計(jì)算。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。變截面門式剛架宜按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力，一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。

2)剛架側(cè)移計(jì)算法。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)算時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。

3)剛架設(shè)計(jì)主要內(nèi)容。梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強(qiáng)度利用;剛架梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算;梁腹板加勁肋的配置;變截面柱在剛架平面內(nèi)的計(jì)算長度確定;變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計(jì)算;變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計(jì)算;斜梁強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算;節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

4)搖擺柱的合理設(shè)置。在多跨剛架中，中柱宜采用搖擺柱。搖擺柱的上下端均為鉸接，理論上不具備側(cè)向剛度，需要依靠與其相連的其他構(gòu)件或體系提供側(cè)向約束才能發(fā)揮作用。

5)抗風(fēng)柱設(shè)置?？癸L(fēng)柱主要承受水平力，豎向允許和剛架產(chǎn)生相對位移，應(yīng)注意抗風(fēng)柱與剛架的連接形式。

4 支撐體系

支撐體系主要包括屋面水平支撐和柱間支撐。其作用是:將各個平面剛架連接組成具有空間剛度和穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu);為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外整體穩(wěn)定提供側(cè)向支撐點(diǎn)，減少構(gòu)件平面外的計(jì)算長度;明確合理簡捷的傳遞風(fēng)力、溫度應(yīng)力、地震力以及吊車縱向水平剎車力等縱向荷載。

4.1 支撐體系的計(jì)算

水平荷載不大的情況下，支撐受力較小，桿件截面尺寸由極限長細(xì)比確定。交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計(jì)，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)。剛架斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力，根據(jù)縱向風(fēng)荷載按支承于柱頂?shù)乃借旒苡?jì)算，并計(jì)入支撐對斜梁起減少計(jì)算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計(jì)入壓桿的受力。柱間支撐的內(nèi)力，應(yīng)根據(jù)該柱列所受縱向風(fēng)荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計(jì)算，并計(jì)入支撐對柱起減少計(jì)算長度而應(yīng)承受的力，對于交叉支撐可不計(jì)壓桿的受力。當(dāng)同一柱列設(shè)有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。

4.2 支撐體系設(shè)置

在每個溫度區(qū)段應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。設(shè)柱間支撐的開間，應(yīng)同時設(shè)置屋蓋橫向支撐。端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距一般取30 m～45 m。當(dāng)房屋高度較大時，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置;當(dāng)房屋寬度大于60 m時，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐;當(dāng)端部支撐設(shè)在端部第二個開間時，在第一個開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿;當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于5 t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼;當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。柱間支撐對無吊車的廠房宜采用柔性圓鋼支撐;當(dāng)風(fēng)荷載較大或抗震設(shè)防烈度大于8度時宜采用型鋼支撐;有吊車的廠房應(yīng)采用型鋼支撐。

4.3 剛性系桿的設(shè)置

在剛架的轉(zhuǎn)折處應(yīng)沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。間距一般在剛架斜梁上12 m～18 m之間，在剛架柱上約8 m，剛度較大的吊車梁等均可作為剛性系桿考慮。

5 其他

1)屋面檁條。檁條的截面形式可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。當(dāng)檁條跨度不大于9 m時，應(yīng)優(yōu)先選用實(shí)腹式檁條。檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時應(yīng)沿截面兩個形心主軸方向計(jì)算彎矩。檁條應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。

2)墻梁。墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。墻梁在其自重、墻體材料和水平風(fēng)荷載作用下，屬于雙向受彎構(gòu)件。墻梁應(yīng)盡量等間距設(shè)置，在墻面的上、下沿及窗框的上、下沿處應(yīng)設(shè)置一道墻梁。墻梁可根據(jù)柱距大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續(xù)梁。

3)隅撐。通常通過設(shè)置隅撐來減小鋼梁的平面外計(jì)算長度，保證鋼梁的整體穩(wěn)定。隅撐布置在鋼梁的跨中或屋脊的彎折處。一般每隔一根檁條設(shè)置一道隅撐，間隔宜不大于3 m。與隅撐相連的檁條厚度不宜小于2.0 mm，設(shè)有隅撐的鋼梁或鋼柱的平面外計(jì)算長度可取隅撐間距的1.1倍～1.2倍。對于邊柱，其上端內(nèi)翼緣處于受壓狀態(tài)，應(yīng)至少在柱頂墻梁處設(shè)一道雙隅撐。

4)拉條的設(shè)置。屋面檁條應(yīng)在屋脊和檐口處同時設(shè)置直拉條、斜拉條、撐桿，其他處僅設(shè)置直拉條，常采用圓鋼做拉條。墻面處最上層墻梁應(yīng)同時設(shè)置直拉條、斜拉條、撐桿，墻面有洞口處，應(yīng)在拉條中斷處均設(shè)置斜拉條和撐桿。

5)柱腳。單層門式剛架廠房多采用外露平板式柱腳，鉸接設(shè)計(jì);當(dāng)廠房有5 t以上橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接，柱腳錨栓直徑不宜小于24 mm，剛架跨度不大于18 m時，采用2個M24的錨栓;剛架跨度不大于27 m時，采用4個M24的錨栓;剛架跨度不大于30 m時，采用4個M30的錨栓，均應(yīng)設(shè)雙螺帽。柱腳錨栓不能參加抗剪，計(jì)算柱腳底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力能否承受水平剪力，當(dāng)摩擦力不足時，柱腳底板下應(yīng)加焊抗剪鍵。另外還需進(jìn)行柱腳錨栓的抗拔計(jì)算。

6 結(jié)語

只要我們認(rèn)真學(xué)習(xí)技術(shù)規(guī)范，建立清晰的結(jié)構(gòu)概念，分析總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，不斷的努力和探索更加合理、更加準(zhǔn)確的進(jìn)行單層門式剛架房屋的設(shè)計(jì)，一定能做出一個合格的設(shè)計(jì)。

[1]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范(2006年版)[S].

[2]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]CECS 102-2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].