門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙曉陽，苗 春

（城市建設(shè)研究院，北京 100120）

1 工程概況

以某工程成品倉庫門式剛架為例，簡(jiǎn)要闡述輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些基本步驟和注意事項(xiàng)。該工程基本設(shè)計(jì)條件為抗震設(shè)防裂度為7度（設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g），Ⅳ類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓0.55kN/m2, 地面粗糙度為B類。剛架抗震能力很強(qiáng)，7度設(shè)防時(shí)一般不需做抗震驗(yàn)算。

成品倉庫全長(zhǎng)105m，雙坡雙跨，單坡跨度27m，雙跨總跨度54m，柱距7.5m，無吊車，檐口高度10.5m。門式剛架變形能力強(qiáng)可以有效的抵御地震作用，但在使用荷載作用下產(chǎn)生的位移較大，因此不適宜安裝起重量過大的吊車，通常采用重量不大于3t的懸掛式吊車起。本項(xiàng)目無吊車，所以柱腳采用鉸接，斜梁坡度1/15。

2 結(jié)構(gòu)體系

為防止出入倉庫的叉車撞擊鋼柱和預(yù)防雨水侵入倉庫，沿廠房設(shè)置了1.2m高矮墻。鋼柱下設(shè)置1.2m高，與墻等高的混凝土短柱。注意在考慮基礎(chǔ)及短柱定位時(shí)，應(yīng)事先計(jì)算上部門式剛架的鋼柱尺寸，保證鋼柱柱腳中心與混凝土短柱中心、基礎(chǔ)中心重合?；炷炼讨馄?yīng)與墻外皮對(duì)齊，同時(shí)還應(yīng)考慮到輕型鋼墻板的布置。

在本次成品倉庫設(shè)計(jì)中，成品庫建筑面積較大，超出國家防火要求，而且近期有事故表明，如果成品倉庫的防火分區(qū)設(shè)置不當(dāng)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)火情串聯(lián)，難以保證人身和財(cái)產(chǎn)的安全，故建筑專業(yè)要求在成品庫內(nèi)設(shè)置防火墻，保證防火分區(qū)?？紤]到門式剛架結(jié)構(gòu)在受到風(fēng)荷載等外部荷載時(shí)變形比較大，如把防火墻置于鋼柱間，則墻體將大大阻礙門式剛架的整體變形，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)不利，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮把防火墻置于鋼柱外皮布置，且與鋼柱間距50mm左右的距離以確保門式剛架的變形要求。在鋼柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置鋼筋砼構(gòu)造柱，構(gòu)造柱與砌體墻之間按《砌體規(guī)范》設(shè)置拉接筋，構(gòu)造柱與鋼柱之間采用兩塊鋼板，利用長(zhǎng)螺栓孔連接，以保證砌體墻沿墻軸線方向變形自由。

3 荷載選取

3.1 屋面恒荷載

屋面梁計(jì)算恒荷載包括屋面板荷載、檁條荷載、支撐自重、風(fēng)機(jī)或氣樓荷載等。在檁條計(jì)算時(shí)恒荷載包括屋面板荷載、拉條自重等。本成品倉庫屋面梁恒荷載經(jīng)過計(jì)算取用0.3kN/m2。

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）規(guī)定活荷載為0.5kN/m2，當(dāng)受荷水平投影面積大于60m2時(shí)可乘以折減系數(shù)，此時(shí)活荷載可取0.3kN/m2，檁條計(jì)算活荷載為0.5kN/m2。計(jì)算時(shí)需要注意屋面活荷載與雪荷載不同時(shí)疊加，風(fēng)荷載和地震力不同時(shí)考慮，本項(xiàng)目基本雪壓為0.2kN/m2小于活荷載，故在計(jì)算屋面鋼梁時(shí)活荷載選用0.3kN/m2，檁條活荷載選用0.5kN/m2。

3.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載也是決定門式剛架鋼梁、檁條截面和穩(wěn)定的又一重要因素，需要注意的是在計(jì)算鋼梁、檁條時(shí)應(yīng)按照門式剛架技術(shù)規(guī)程附錄A的規(guī)定分中間區(qū)，邊緣帶等分別進(jìn)行計(jì)算，并注意基本風(fēng)壓要乘以1.05安全系數(shù)，這里有別于荷載規(guī)范，在取用風(fēng)荷載體型系數(shù)時(shí)要注意剛架的適用條件。在風(fēng)吸力作用下要考慮檁條的穩(wěn)定性，當(dāng)檁條下翼緣受壓時(shí)要采取措施抵抗側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。

4 門式剛架的計(jì)算

4.1 計(jì)算時(shí)的注意事項(xiàng)

成品倉庫門式剛架的計(jì)算，采用PKPM系列軟件的STS中門式剛架計(jì)算程序，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）運(yùn)用門式剛架二維設(shè)計(jì)，分別對(duì)邊跨和中間跨兩榀剛架進(jìn)行計(jì)算，梁柱變截面構(gòu)件楔率應(yīng)小于60mm/m。

（2）本工程屋面坡度要求1/15，斜梁設(shè)計(jì)為楔形，外形與彎矩包絡(luò)圖基本保持一致。

（3）考慮運(yùn)輸、吊裝、經(jīng)濟(jì)等因素，一般要求斜梁構(gòu)件長(zhǎng)度在9～12m之間，斜梁應(yīng)分段采用摩擦型高強(qiáng)螺栓拼接，拼接點(diǎn)盡量設(shè)在彎矩較小處，并避開頂部檁條及腹部支撐位置。

（4）梁端設(shè)置為鉸接，梁、柱的平面外計(jì)算長(zhǎng)度取側(cè)向支撐點(diǎn)的距離，當(dāng)兩翼緣側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離不等時(shí)，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離。

（5）鉸接構(gòu)件設(shè)置選項(xiàng)中，柱腳應(yīng)設(shè)置為鉸接。

4.2 對(duì)于變形的控制

參數(shù)輸入中輸入變形參數(shù)，成品庫剛架斜梁僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條，其撓度限值為L(zhǎng)/180。成品倉庫不設(shè)置吊車且采用輕型鋼墻板，所以柱頂位移設(shè)計(jì)值的限值為h/60。對(duì)于整體剛架而言，由于柱腳的嵌固作用、壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)等因素影響，門式剛架的實(shí)際位移一般都遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。本工程的情況剛架柱腳為鉸接，若按位移控制值設(shè)計(jì)時(shí)，剛架柱頂?shù)膶?shí)際位移僅為設(shè)計(jì)值的一半左右。

4.3 設(shè)計(jì)計(jì)算中的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)計(jì)算中有一點(diǎn)需要注意，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.2.4側(cè)移計(jì)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度L=2s；而在6.1.3穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度L=s。對(duì)于這兩處計(jì)算長(zhǎng)度不同的解釋是：5.2.4計(jì)算長(zhǎng)度指?jìng)?cè)移時(shí)搖擺柱不起作用，因此L即為全跨，四跨時(shí)L=4s；規(guī)程6.1.3計(jì)算長(zhǎng)度指柱的穩(wěn)定，搖擺柱使約束梁彎曲，且對(duì)柱的穩(wěn)定有幫助，因此不論二跨還是四跨均取L=s。

5 支撐的布置

對(duì)于門式剛架整體穩(wěn)定來說，支撐布置是不可缺少的一部分。支撐布置時(shí)需要注意：

（1）在每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，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。其中，縱向溫度區(qū)段小于300m，橫向溫度區(qū)段小于150m。

（2）由于本項(xiàng)目對(duì)支撐布置的位置無特殊要求，所以在第一跨設(shè)置柱間支撐，同時(shí)在設(shè)置柱間支撐的跨中設(shè)置屋蓋橫向支撐。又因?yàn)閷?duì)于無吊車門式剛架柱間支撐的間距取30～45m，所以在不影響使用的情況下，在間距所允許范圍內(nèi)也要設(shè)置屋蓋及柱間支撐。注意在中間柱的相應(yīng)位置也應(yīng)該設(shè)置柱間支撐，以保證門式剛架的整體剛度。

（3）為保證成品倉庫的整體穩(wěn)定，在剛架的轉(zhuǎn)折處如邊柱、柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂，沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿。計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)計(jì)算剛性系桿的穩(wěn)定和長(zhǎng)細(xì)比。此處的剛性系桿也可由檁條兼做，此時(shí)檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時(shí)可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。

6 檁條的設(shè)計(jì)

檁條選用Q235級(jí)B型冷彎薄壁型鋼，撓度按L/150控制。不應(yīng)采用Q235A級(jí)鋼，主要是由于其含碳量不能保證焊接要求。

檁條的計(jì)算采用STS軟件工具箱中的簡(jiǎn)支檁條設(shè)計(jì)，相對(duì)于連續(xù)檁條的做法，按簡(jiǎn)支設(shè)計(jì)更偏于安全，屋面壓型鋼板為單層鋼板，不考慮其對(duì)檁條上、下翼緣失穩(wěn)的限制作用。注意拉條應(yīng)設(shè)在檁條上翼緣1/3腹板高度范圍，當(dāng)在風(fēng)吸力作用下檁條下翼緣受壓時(shí)，拉條應(yīng)在檁條上下翼緣附近適當(dāng)布置，即采用雙拉條。拉條的設(shè)置可以有效的控制檁條的穩(wěn)定，從而減少檁條的用鋼量。

7 門式剛架優(yōu)選方案

設(shè)計(jì)人員在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)盡可能的節(jié)約成本，這就要求在確定方案時(shí)既要符合建筑使用要求，又要考慮建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

門式剛架在前期方案確定時(shí)，應(yīng)根據(jù)房屋高度確定合理的跨度，門式剛架適用在跨度9～36m，高度4.5～9m的地方。根據(jù)多次試算，在檐口高度、柱距、荷載均相同的條件下，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加并不明顯，但釋放空間，相對(duì)造價(jià)低，綜合效益較為可觀。

柱距應(yīng)與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等相匹配，當(dāng)剛架跨度較小時(shí)，選用較大的柱距，會(huì)增加檁條的用鋼量。規(guī)范規(guī)定剛架柱距宜為6m、7.5m、9m，當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值后，剛架用鋼量變化較為平緩，而檁條、墻梁的用鋼量會(huì)隨著柱距增大而大幅增加，就整體結(jié)構(gòu)的總用鋼量而言，在一定條件下，門式剛架存在著最優(yōu)柱距。通過調(diào)整計(jì)算可以得出一些優(yōu)化的柱距與跨度間的關(guān)系?？缍葹?2～18m時(shí)，柱距宜選用6m；跨度為18～27m時(shí)，柱距宜選用7.5m；跨度為27～36m時(shí)，柱距宜選用9m。一般情況下，門式剛架的柱距應(yīng)在6～9m之間，超過9m時(shí)，屋面檁條與墻架體系的用鋼量會(huì)大幅增加，綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。

[1] 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.（CECS102：2002）.

[2] 《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》.（GB50018-2002）.

[3] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》.（GB50017-2003）.

[4] 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》.（GB50009-2012）.

[5] 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》.（GB50011-2010）.