輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

【摘 要】輕型鋼結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外目前應(yīng)用和發(fā)展速度最快的新型結(jié)構(gòu)形式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居住和公共建筑，本文介紹了單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點，并就設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題做了系統(tǒng)闡述。

【關(guān)鍵詞】門式剛架；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計

前言

單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實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（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、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。主要用于輕型的工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等，近幾年來，隨著我國彩色鋼板產(chǎn)量的增加和焊接H型鋼的出現(xiàn)，門式剛架更是發(fā)展迅速，結(jié)合單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點，并就設(shè)計和施工中應(yīng)注意的一些問題，做如下介紹：

1.單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點

1.1質(zhì)量輕

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕。根據(jù)國內(nèi)工程實例統(tǒng)計，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10～30kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20～1/30。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，相應(yīng)地基礎(chǔ)可以做得較小，地基處理費用也較低。同時在相同地震烈度下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)小。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時，風(fēng)荷載可能成為單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的控制荷載。

1.2工業(yè)化程度高，施工周期短

門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件多為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便；除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)；構(gòu)件之間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速。

1.3綜合經(jīng)濟(jì)效益高

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當(dāng)采用12米柱距時，需設(shè)置托架及墻架柱。而門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用金屬壓型板，所以柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。

1.3柱網(wǎng)布置比較靈活

門式剛架結(jié)構(gòu)通常采用計算機輔助設(shè)計，設(shè)計周期短；原材料種類單一；構(gòu)件采用先進(jìn)自動化設(shè)備制造；運輸方便等。所以門式剛架結(jié)構(gòu)的工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。

2.單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1結(jié)構(gòu)形式的確定

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，依據(jù)“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設(shè)計，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計成剛接。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

2.2合理跨度的確定

不同的生產(chǎn)工藝流程和使用功能在很大程度上決定著廠房跨度，有的業(yè)主甚至要求輕鋼生產(chǎn)廠家根據(jù)自己的使用功能，確定較為經(jīng)濟(jì)的跨度。在盡可能滿足生產(chǎn)工藝和使用功能上，應(yīng)根據(jù)房屋的高度確定合理的跨度。一般情況下，當(dāng)柱高、荷載一定時，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節(jié)省空間，基礎(chǔ)造價低，綜合效益較為可觀。通過大量計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檐高6m、柱距為7.5m，荷載情況完全一致下，跨度在18-30m之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為18-28kg/ m2，當(dāng)跨度在21-48m之間的剛架單位用鋼量為25-40kg/ m2，當(dāng)檐高為12m、跨度超過48m時宜采用多跨剛架（中間設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節(jié)約18%左右，因此設(shè)計門式剛架時應(yīng)根據(jù)具體要求選擇較為經(jīng)濟(jì)的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2.3剛架最優(yōu)間距的確定

剛架的間距與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等因素有關(guān)，當(dāng)剛架跨度較小時，選用較大的間距，會增加檁條的用鋼量是不經(jīng)濟(jì)的。剛架規(guī)范規(guī)定，剛架柱距宜為6m，7.5m，9m，最大可采用12m。經(jīng)過大量計算發(fā)現(xiàn)，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大下降的幅度較為平緩，而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量會隨著柱距的增大而增大，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定條件下，門式剛架存在著一最優(yōu)間距，一般情況下，門式剛架的間距應(yīng)在6—9m之間，超過9m時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量增加太多，綜合造價并不經(jīng)濟(jì)。

2.4荷載的確定

屋面荷載包括了永久荷載和可變荷載，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?？勺兒奢d包括屋面活荷載（設(shè)計屋面板和檁條時應(yīng)考慮施工和檢修集中荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等。規(guī)范規(guī)定屋面活荷載為0.5KN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6，門式剛架大都符合此條件，活荷載可取為0.3KN/m2。

計算時候應(yīng)對荷載進(jìn)行荷載組合，荷載組合一般應(yīng)遵從《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》GB50009-2012的規(guī)定，針對門式剛架的特點，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002給出下列組合原則：

（1）屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中較大值。

（2）積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。

（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考慮。

（4）多臺吊車的組合應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

（5）當(dāng)需要考慮地震作用時，風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮。

2.5剛架內(nèi)力和側(cè)移計算

2.5.1內(nèi)力計算

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）編制程序上機計算。地震作用的效應(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和同時出現(xiàn)的M及V的較大值。

（2）最大彎矩Mmax和同時出現(xiàn)的N及V的較大值。

（3）最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時M=0。

2.5.2側(cè)移計算

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，計算時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)。如果最后驗算時剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進(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；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。

2.6剛架柱和梁的設(shè)計

（1）梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗算、腹板屈曲后強度利用驗算、腹板的有效寬度驗算等內(nèi)容）

（2）剛架梁柱構(gòu)件的強度驗算。

（3）梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應(yīng)在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋）

（4）變截面柱在剛架平面內(nèi)的計算長度確定。

（5）變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計算。

（6）變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算。

（7）斜梁和隅撐的強度和穩(wěn)定性計算。

（8）節(jié)點設(shè)計。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設(shè)計、牛腿設(shè)計、搖擺柱與斜梁的連接構(gòu)造等內(nèi)容）

2.7輔屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

2.7.1壓型鋼板設(shè)計

（1）壓型鋼板材料的選擇可根據(jù)建筑功能、使用條件、使用年限和結(jié)構(gòu)形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235鋼。

（2）壓型鋼板的截面形式較多，根據(jù)波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。

（3）壓型鋼板的強度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構(gòu)件計算。計算內(nèi)容包括壓型鋼板腹板的剪應(yīng)力計算、支座處腹板的局部受壓承載力計算、撓度限值驗算等。

（4）壓型鋼板尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。

2.7.2檁條布置與設(shè)計

檁條間距的確定應(yīng)綜合考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計算確定，一般應(yīng)等間距布置，但在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。

（1）檁條的截面形式可分為實腹式和格構(gòu)式兩種。當(dāng)檁條跨度不大于9m時，應(yīng)優(yōu)先選用實腹式檁條。

（2）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算彎矩。

（3）檁條應(yīng)進(jìn)行強度計算、整體穩(wěn)定計算、變形計算。

（4）檁條尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。

2.7.3墻梁布置與設(shè)計

墻梁的布置應(yīng)考慮門窗、挑檐、雨蓬等構(gòu)件的設(shè)置和圍護(hù)材料的要求確定。

（1）墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。

（2）墻梁在其自重、墻體材料和水平風(fēng)荷載作用下，也是雙向受彎構(gòu)件。

（3）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。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設(shè)置拉條，并在最上層墻梁處設(shè)斜拉條將拉力傳至剛架柱。

（4）墻梁可根據(jù)柱距的大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續(xù)梁。

2.7.4支撐布置與設(shè)計

（1）在每個溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。

（2）在設(shè)置柱間支撐的開間，應(yīng)同時設(shè)置屋蓋橫向支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。

（3）端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30～45m，有吊車時不宜大于60m。

（4）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60m時，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。

（5）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。

（6）在剛架的轉(zhuǎn)折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應(yīng)沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。

（7）由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。

（8）剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應(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。

（9）當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于5t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。

（10）門式剛架結(jié)構(gòu)中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設(shè)計。

（11）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借旒苡嬎?，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計入壓桿的受力。

（12）剛架柱間支撐的內(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算，并計入支撐對柱起減少計算長度而應(yīng)承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。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。

2.7.5隅撐布置與設(shè)計

當(dāng)實腹式鋼架橫梁的下翼緣受壓時，必須在受壓翼緣的兩側(cè)布置隅撐（端部僅布置在一側(cè)）作為橫梁的側(cè)向支承；隅撐的另一端連接在檁條上。隅撐宜采用單角鋼制作，可連接在鋼架構(gòu)件下翼緣附近的腹板上，也可連接在下翼緣上，與腹板的夾角不宜小于45度。隅撐計算時按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計，對稱布置時，每根隅撐的計算軸壓力取計算值的一半。

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