對門式剛架結構房屋設計的探討

摘要：門式剛架結構廠房是由剛架、屋蓋、圍護結構及相應支撐所組成的結構體系。由于其結構自身質量輕，抗震性能好，施工周期短，實用美觀，構件易于安裝拆卸等特點，近十幾年來在我國建筑行業(yè)得到廣泛的應用。

關鍵詞：門式剛架；結構特點；結構布置

引言

門式剛架是建筑行業(yè)新興的一種鋼結構型式，與其他型式的建筑結構相比，門式剛架具有許多建筑結構無可比擬的優(yōu)點。本文就門式剛架的相關概念、特點、門式剛架的結構布置和設計中會遇到的常見問題做了介紹分析，供各位設計同仁參考指正。

1.門式剛架的概念

門式剛架是一種鋼材制成的平面型式的結構，它是由等截面或變截面的柱和等截面或變截面的斜梁組成，有三鉸（一梁中鉸、二柱腳鉸）靜定結構，或兩鉸（柱腳）超靜定結構，及衍變型式。其柱和梁可以是實腹式或格構式的。實腹式就是用鋼板焊接成“工”字形的等高或變高截面；格構式就是用小截面的型鋼組成的等高或變高截面。

2.門式剛架的結構特點

剛架結構由橫梁、柱和基礎組成。剛架的柱與橫梁剛接，與基礎鉸接。

排架結構由屋架、柱和基礎組成，柱與屋架鉸接，而與基礎剛接。

將門式剛架與外形相同的排架在垂直均布荷載作用下的彎矩加以對比。剛架由于橫梁與立柱整體剛性連接，節(jié)點B和C是剛性節(jié)點，能夠承受并傳遞彎矩，這樣就減少了橫梁中的跨中彎矩值（如圖1）。

在一般情況下，當跨度與荷載相同時，屋架和立柱組成的排架結構比剛架結構多用鋼材約10%，混凝土約20%，因此剛架結構要比排架結構節(jié)省材料。單層剛架為梁柱合一的結構，桿件較少，結構內部空間較大，便于利用。而且剛架一般由直桿組成，制作方便，因此，在實際工程中應用非常廣泛。門式剛架中的橫梁為折線形的種類更具有受力性能良好、施工方便、造價較低和建筑造型美觀等優(yōu)點。折線型的橫梁使室內空間增大，適于雙坡屋面的單層中、小型建筑，在中小型廠房、體育館、禮堂、食堂等中小跨度的建筑中得到廣泛應用。門式剛架剛度較差，受荷載后產生跨變，因此用于工業(yè)廠房時，吊車起重量不宜超過20t。

門式剛架的這些結構特征決定了其和其他型式的建筑結構相比有很多的優(yōu)勢：門式剛架屋面體系的整體性可以依靠檁條、隅撐來保證，從而減少了屋蓋支撐的數(shù)量，同時支撐多用張緊的圓鋼做成，很輕便；結構構件的橫截面尺寸較小，可以有效地利用建筑空間，降低房屋的高度，建筑造型美觀；門式剛架的自重輕，橫梁與柱可以組裝，為制作、運輸、安裝提供了有利條件；屋面剛架用鋼量僅為普通鋼屋架用鋼量的1/5-1/10（20-50kg/m²），是一種經濟可靠的結構形式。

3.門式剛架的結構布置

3.1剛架的建筑尺寸和布置

（1）跨度：一般為9-36m；

（2）高度：取地坪柱軸線與斜梁軸線交點高度，宜取4.5-9m；

（3）柱距：應綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，宜取6m、7.5m、或9m，最大12m：

（4）挑檐長度：根據(jù)使用要求確定，宜為0.5-1.2m；

（5）溫度分區(qū)：縱向溫度區(qū)段≤300m、橫向溫度區(qū)段≤150m。

門式剛架的柱高與跨度的比例（高跨比H/L）是選型的主要參數(shù)。從結構觀點看，由于柱高的減少將使推力增大，因而對三鉸門架來說，最好的形式是高度大于跨度。但對兩鉸門架來說，由于跨中彎矩的存在，跨度稍大于高度就成為合理的了?？偟膩碚f，高跨比H/L=0.75是比較合理的。

3.2檁條和墻梁的布置

檁條：一般應等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。

墻梁：墻梁的布置，應考慮設置門窗、挑檐、遮雨篷等構件和圍護材料的要求。

門式剛架輕型房屋鋼結構的側墻，在采用壓型鋼板作圍護面層時，墻梁宜布置在剛架的外側，其間距隨墻板板型及規(guī)格而定。

3.3支撐和剛性系桿的布置原則

（1）在每個溫度區(qū)段或分期建設的區(qū)段中，應分別設置能獨立構成空間穩(wěn)定結構的支撐體系。

（2）在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。

（3）柱間支撐的間距應根據(jù)房屋縱向柱距、受力情況和安裝條件確定：無吊車時取30-45m；當有吊車宜設在溫度區(qū)段中部；當溫度區(qū)段較長時以間距40-60m設三分點；當建筑物寬度超過60m時，適當增加內柱列的柱間支撐；房屋高度較大時，柱間支撐要分層設置；端部柱問支撐考慮溫度應力影響宜設置在第二柱問。

當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱問支撐宜用型鋼；當房屋中不允許設置柱問支撐時，應設置縱向剛架。

4.門式剛架設計中常見問題

（1）屋面橫向水平支撐與柱問支撐未布置在同一跨間內。

布置在同一跨間內的屋面橫向水平支撐和柱間支撐同門式剛架一道構成穩(wěn)定的空間結構體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又方便于門式剛架結構的施工安裝。

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002第4.5.1條第2款和第4.5.2條第1款的規(guī)定，宜將屋面橫向水平支撐和柱間支撐同時布置在房屋溫度區(qū)段端部第一開間或第二開間，在布置柱間支撐的開問，宜同時布置屋面橫向水平支撐，當無法布置在同一跨間時，可布置在相鄰跨間，有一定搭接區(qū)。

（2）屋面橫向水平支撐布置在房屋溫度區(qū)段端部第二開間，而在第一開問相應于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置未布置縱向剛性系桿。

房屋端墻（山墻）的風荷載或地震作用要靠屋面橫向水平支撐傳遞給房屋縱向柱間支撐。屋面橫向水平支撐布置在第二開間時，第一開間僅布置未按壓彎桿件驗算和加強的檁條，不足以傳遞端墻的風荷載或地震作用。

根據(jù)《門式剛架規(guī)程》CECS102：2002第4.5.2條第1款的規(guī)定，在房屋溫度區(qū)段的第一開問相應于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置布置滿足受壓桿件長細比要求和受壓（壓彎）桿件承載力要求的剛性系桿（如圖2）。

（3）屋面橫向水平支撐的節(jié)點未與抗風柱布置相應協(xié)調。

屋面橫向水平支撐桁架的節(jié)點布置在抗風柱處，可以使抗風柱柱頂?shù)姆戳χ苯觽鬟f，避免剛架斜梁受扭。

首先根據(jù)房屋的使用要求布置抗風柱，然后根據(jù)抗風柱柱頂位置布置屋面橫向水平支撐桁架的節(jié)點及支撐桿件；因為剛架斜梁允許在任意位置布置屋面橫向水平支撐的節(jié)點，屋面橫向水平支撐的交叉斜桿為柔性拉桿，與剛架斜梁的連接較為簡單，可以不必等間距布置，這是門式剛架與普通屋架不同之處（如圖3）。

（4）屋面橫向水平支撐和柱問支撐采用圓鋼時，未設張緊裝置；當設有橋式吊車時，柱間支撐未采用型鋼支撐。

圓鋼支撐側向剛度小，安裝時會因自重而下垂，再加上圓鋼支撐初始彎曲和連接松弛等缺陷，不設張緊裝置就不能保證支撐始終處于張緊狀態(tài)，對門式剛架房屋的整體穩(wěn)定性和整體剛度起不到應有的作用。當有吊車時，柱問支撐改而采用型剛支撐，也是為了保證門式剛架房屋的縱向剛度。

采用圓鋼支撐時，應按《門式剛架規(guī)程》CECS102：2002和《薄壁型鋼規(guī)范》GB50018第9.2.2條的要求設置張緊裝置。有吊車時，柱問支撐應采用型鋼支撐；在8度及以上地震區(qū)或地震作用效應組合控制時，門式剛架房屋的屋面橫向水平支撐和柱問支撐亦應采用型鋼支撐。

（5）鋼柱腳未采用混凝土包裹防護

許多事例表明地面以下的鋼柱腳若不用混凝土包裹，柱腳處由于積水使鋼材嚴重銹蝕，對結構存在著安全隱患。

應按《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003第8.9.3條規(guī)定，對柱腳在地面以下部分采用強度等級較低的混凝土包裹（保護層厚度不應小于50mm），包裹的混凝土應高出地面不小于150mm。當柱腳底面在地面以上時，柱腳高出地面的高度不應小于100mm。

5.結語

門式剛架結構作為一種建筑結構體系，因其結構自身質量輕，抗震性能好，施工周期短，實用美觀，構件易于安裝拆卸，綜合經濟效益高等優(yōu)點，目前在我國已得到了廣泛應用，技術也在逐步完善、成熟。隨著門式剛架結構房屋的大量應用，許多結構設計方面的問題也逐步暴露出來，這就要求設計師在做此類結構設計時，應充分理解相關設計規(guī)范、規(guī)程說明，使得設計既經濟合理，又安全可靠。

參考文獻

[1]門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程CECS102，2002.

[2]龔燕喬.輕型鋼結構的門式剛架設計中常見問題與解決措施.科技風，2012，1（下）.

收稿日期：2013-4-12

作者簡介：李永華（1976-），貴州興仁人，本科，主要從事建筑結構設計工作。