輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究★

唐鷺 董君 陳海鵬

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610041)

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代初期，由于柱網(wǎng)布置靈活，最大跨度可做到70 m，可用于大空間建筑體，但是科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的跨度為9 m～36 m，因此門式剛架常用于體育館、展覽廳、車庫、工業(yè)廠房、倉庫等。由于它具有質(zhì)量輕、施工方便且施工周期短等特點(diǎn)，因此在近十多年來得到了迅速的發(fā)展，目前國內(nèi)有大量的鋼結(jié)構(gòu)工程正在開展。

1 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)形式

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是梁、柱構(gòu)件單元的組合體，其形式種類多樣，在單層工業(yè)和民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的是單跨、雙跨或多跨的單雙坡形門式剛架。按構(gòu)件體系分，有實(shí)腹式與格構(gòu)式;按截面形式分，有等截面和變截面。實(shí)腹式剛架的截面一般為工字形，格構(gòu)式剛架的截面通常為矩形或三角形。

單層門式剛架主要是以焊接H形鋼(等截面或變截面)或熱軋H形鋼(等截面)或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼(C，Z，H形等)做檁條與墻梁;采用壓型金屬板做屋面和墻面，并在屋面梁之間、柱之間設(shè)置支撐的一種結(jié)構(gòu)體系。

2 輕型門式剛架設(shè)計(jì)

2．1 建筑結(jié)構(gòu)平面布置

通過大量的工程實(shí)踐，并綜合各種因素總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)成果:輕型門式剛架的跨度宜為9 m～36 m，通常以3 m為模數(shù);房屋高度，無吊車時(shí)一般為4．5 m～9 m，有吊車時(shí)常為9 m～12 m;房屋坡度宜取1/8～1/20，在雨水較多地區(qū)可取較大值;門式剛架間距，即柱網(wǎng)軸線縱方向的距離宜為6m，亦可采用7．5m或9m，最大可采用12m，當(dāng)跨度較小時(shí)可采用4．5m;當(dāng)門式剛架房屋縱向長度超過300 m或橫向長度超過150 m時(shí)應(yīng)設(shè)置伸縮縫。

2．2 荷載及其組合

輕型門式剛架房屋作用的荷載主要有重力荷載、可變荷載、地震作用。重力荷載主要為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重及懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載;可變荷載包括屋面活荷載、雪荷載、積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載等;屋面活荷載包括屋面均布活載、施工或檢修集中荷載、積灰荷載、雪荷載等。

當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0．5 kN/m2，當(dāng)受荷水平投影面積大于60 m2剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載可取不小于0．3 kN/m2［1］。

荷載組合應(yīng)遵從GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，針對門式剛架的特點(diǎn)，CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程給出下列組合原則［1］:

1)屋面均布活載不與雪荷載同時(shí)考慮，取兩者中較大值;2)積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮;3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時(shí)考慮;4)風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮;5)對一層吊車的單跨廠房，參與組合的吊車臺數(shù)不宜多于2臺，對一層吊車的多跨廠房，參與組合的吊車臺數(shù)不宜多于4臺［2］。

豎向荷載通常是設(shè)計(jì)的控制荷載，地震作用一般不起控制作用。當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋高度較高時(shí)，風(fēng)荷載的作用不應(yīng)忽視。

2．3 剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算

2．3．1 內(nèi)力計(jì)算

變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力。僅在構(gòu)件全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)力分析可按一般結(jié)構(gòu)力學(xué)方法或利用靜力計(jì)算公式，通常采用有限元法(直接剛度法)計(jì)算，地震作用效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。

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，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內(nèi)力組合主要有:

1)最大軸壓力Nmax和同時(shí)出現(xiàn)的M及V的較大值;2)最大彎矩Mmax和同時(shí)出現(xiàn)的N及V的較大值;3)最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V。

需要注意的是，前兩種組合有可能重合;此外其組合是針對截面雙軸對稱構(gòu)件而言，當(dāng)構(gòu)件為單軸對稱時(shí)，須考慮彎矩的正、負(fù)。組合3)是考慮到輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系較輕，當(dāng)僅考慮永久荷載和風(fēng)荷載共同作用時(shí)，在強(qiáng)風(fēng)作用下，柱腳可能受到上拔力的作用。

2．3．2 側(cè)移計(jì)算

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(shí)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施進(jìn)行調(diào)整:放大柱或(和)梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳。

2．4 剛架梁和柱的設(shè)計(jì)

剛架梁和柱常采用Q235B或Q345A及以上等級的鋼材。格構(gòu)式剛架梁截面高度可取跨度的1/15～1/25，實(shí)腹式剛架梁則采用跨度的1/30～1/45。門式剛架橫梁與柱為剛性連接;柱與基礎(chǔ)主要為鉸接和固結(jié)，鉸接一般用于無吊車或橋式吊車小于5 t的廠房、倉庫等，當(dāng)設(shè)有大于5 t橋式吊車、檐口高度較高或剛度要求較高時(shí)應(yīng)采用固結(jié)。

剛架梁、柱截面確定后，在荷載作用下，梁和柱的計(jì)算長度對其應(yīng)力影響很大。梁、柱平面內(nèi)的計(jì)算長度可采取調(diào)整其截面大小來滿足要求。為了減小剛架梁平面外的計(jì)算長度，通常在剛架梁之間設(shè)置水平支撐和隅撐等構(gòu)造措施;同樣可以在剛架柱之間設(shè)置剛性系桿和柱間支撐來控制。根據(jù)門式剛架所受彎矩的特點(diǎn)可知，剛架梁兩端的梁下翼緣受壓，柱端內(nèi)翼緣受壓，因此在距梁兩端3m的檁條處設(shè)隅撐，當(dāng)剛架梁跨度L≥24m時(shí)，在距梁兩端6 m的檁條處均布兩道隅撐。角隅撐通常設(shè)置在剛架柱頂端1/3柱高的內(nèi)側(cè)部分，保證了柱的局部穩(wěn)定性。

2．5 檁條設(shè)計(jì)

檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)沿截面兩個(gè)形心主軸方向計(jì)算彎矩，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對檁條進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。格構(gòu)式檁條加工復(fù)雜，施工難度大，并且不美觀，因此一般采用實(shí)腹式，但是當(dāng)跨度大于9 m時(shí)宜采用格構(gòu)式檁條。實(shí)腹式檁條有C形，Z形，H形等，采用的是冷彎薄壁型鋼，與同樣面積的熱軋型鋼相比，它的回轉(zhuǎn)半徑可增大80%，慣性矩和面積矩可增大50%～180%。在檁條之間通常設(shè)置拉條或撐桿，不僅可以提高屋面剛度，還可以減小檁條平面外計(jì)算長度，當(dāng)檁條跨度大于4 m時(shí)，宜在檁條間跨中設(shè)置拉條或撐桿，當(dāng)跨度大于6 m時(shí)，應(yīng)在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條或撐桿。

2．6 支撐設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)是構(gòu)成輕型門式剛架結(jié)構(gòu)縱向體系的主要構(gòu)件，是保證其他構(gòu)件(梁、柱、檁條等)弱軸穩(wěn)定的基礎(chǔ)。支撐主要設(shè)置在剛架梁之間，柱之間，檁條之間，屋面剛梁支撐與柱間支撐應(yīng)形成封閉，使剛架結(jié)構(gòu)成為空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。檁條支撐2．4節(jié)已描述。

屋面支撐受力相對較小，桿件截面通?？砂慈菰S長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且風(fēng)壓較大時(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時(shí)，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

柱間支撐分為上層支撐和下層支撐，它可以保證房屋的縱方向穩(wěn)定性和空間剛度，承受縱方向水平力(風(fēng)載、吊車縱向剎車荷載、溫度應(yīng)力和地震作用)，并將上述荷載傳至基礎(chǔ)。上層支撐計(jì)算時(shí)，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿按柔性拉桿計(jì)算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時(shí)一般用圓鋼，較大時(shí)以及考慮抗震時(shí)應(yīng)采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時(shí)，交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計(jì)。

2．7 柱腳設(shè)計(jì)

輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)的柱腳，宜采用平板式鉸接柱腳。當(dāng)有必要時(shí)，也可采用剛接柱腳。柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平力，此水平力應(yīng)由底板與混凝土之間的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵來承受。當(dāng)埋置深度受限制時(shí)，錨栓應(yīng)牢固地固定在錨板或錨梁上，以傳遞全部拉力。柱腳錨栓應(yīng)采用Q235鋼或Q345鋼材。

3 輕型門式剛架在工程中的應(yīng)用

輕型門式剛架在天然氣凈化廠及天然氣壓氣站場中應(yīng)用非常廣泛，常用于壓縮機(jī)廠房、鍋爐房、庫房、閥門檢測間等。某工程中的壓縮機(jī)廠房均采用的是輕型門式剛架，某壓縮機(jī)廠房總長為54 m，跨度為27 m，高度13 m，橋式吊車起吊重量為16 t，采用STS計(jì)算后，根據(jù)剛架所受的彎矩特點(diǎn)，梁、柱采用了變截面，相對于等截面節(jié)約了近8 t鋼材;檁條及墻梁采用的是薄壁C形鋼。整個(gè)設(shè)計(jì)及施工過程周期都比較短、剛架安裝便捷，并且施工簡單，該廠房目前已投入使用。

4 結(jié)語

在輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過對設(shè)計(jì)要點(diǎn)和重點(diǎn)的把握使設(shè)計(jì)過程程序化、簡單化;根據(jù)不同的使用功能及受荷特點(diǎn)有針對性的采用門式剛架結(jié)構(gòu)形式，科學(xué)合理的采用相對應(yīng)的各類構(gòu)件。由于門式剛架具有工業(yè)化程度高、節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，它將更多的應(yīng)用到國家未來的建設(shè)中。

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

［2］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．