門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

曹鳳蘭，李 華

(云南銅業(yè)股份有限公司，云南昆明650102)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域具有舉足輕重的作用。無論在工業(yè)還是民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)以其突出的特點迅速占領(lǐng)越來越廣的市場。鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有自重輕、承載力高、整體剛度和抗震性能好、制作工業(yè)化程度高、施工速度快、造價低等特點，并且可建大空間、大跨度房屋，造型美觀、現(xiàn)代感強，是近年來我國建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛的類型之一。門式剛架輕型房屋在單層工業(yè)廠房、超市、庫房、職工食堂、展覽館等各種不同的倉儲建筑物中有著廣泛的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)形式和布置

在門式剛架輕型房屋的結(jié)構(gòu)體系中，屋蓋常采用壓型鋼板或電木浪板等輕型屋面板及冷彎薄壁型鋼檁條，外墻采用壓型鋼板及冷彎薄壁型鋼墻梁。剛架根據(jù)其跨度、高度和荷載的不同，梁、柱可采用變截面或等截面實腹焊接工字形截面或軋制H形截面。當(dāng)設(shè)有橋式吊車時，柱宜采用等截面構(gòu)件;無橋式吊車時，柱宜采用變截面構(gòu)件。其柱腳構(gòu)造可為剛接，亦可為鉸接。若廠房內(nèi)有5 t以上橋式吊車或鋼架跨度≥30 m時，柱腳應(yīng)按剛接支撐設(shè)計。

門式剛架分為單跨、雙(多)跨連續(xù)剛架或雙(多)跨中間鉸接柱(搖擺柱)的連續(xù)剛架。一般單跨的跨度為9～36 m、高度為4．5～9．0 m，剛架柱間距為6～9 m。當(dāng)剛架跨度＞30 m時，宜起拱。

門式剛架輕型房屋的溫度縫(伸縮縫)設(shè)置:縱向≤300 m，橫向≤150 m，屋面坡度一般為1/8～1/20。當(dāng)坡度＜1/20時，應(yīng)核算結(jié)構(gòu)變形后雨水順利排泄的能力。壓型鋼板墻體一般外墻不宜直接設(shè)置于地坪上，應(yīng)高出室內(nèi)外地坪，因室外雨水或室內(nèi)液體介質(zhì)的浸泡會加快墻板的腐蝕，墻體設(shè)置一般為窗臺以下或高出室內(nèi)外地坪250 mm以下用磚砌體砌筑，砌體墻以上才做壓型鋼板輕型材料外墻。當(dāng)砌體墻體太長時，在剛架軸線位置處增設(shè)構(gòu)造柱，墻頂設(shè)壓梁。

2 結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計

2.1 荷載取值

門式剛架承受的主要荷載為:屋面荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載和地震力。

(1)屋面荷載是由屋蓋自重、屋面活荷載、積灰荷載、雪荷載等組成［1］，當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計算)應(yīng)取0．5 kN/m2。但對于受荷水平投影面積＞60 m2的剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活載的標(biāo)準(zhǔn)值可取≥0．3 kN/m2(計算檁條的均布活載取0．5 kN/m2，并考慮檢修荷載)。

(2)吊車荷載分為豎向荷載和水平荷載，水平荷載又分為縱向水平荷載和橫向水平荷載［2］。計算吊車梁及其連接的承載力時，根據(jù)吊車工作級別的不同，吊車豎向荷載應(yīng)乘以不同的動力系數(shù)。

(3)風(fēng)荷載。由于門式剛架輕型房屋高度小，屋面坡度α≤10°，屬于低矮房屋，與一般房屋所受的氣流機理不同?？紤]到近地面湍流規(guī)律的復(fù)雜性，當(dāng)房屋所受的活荷載以風(fēng)荷載為主時，在剛架截面荷載效應(yīng)的最不利組合中，不應(yīng)考慮與風(fēng)荷載效應(yīng)符號相反的其它荷載效應(yīng);反之，當(dāng)房屋所受的活荷載以其它荷載為主時，若與風(fēng)荷載效應(yīng)符號相反，則風(fēng)荷載效也不應(yīng)進(jìn)入截面荷載效應(yīng)的最不利組合。

(4)地震力。由于門式剛架輕型房屋的自重輕，地震作用相對較小，荷載效應(yīng)組合時，風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮，但構(gòu)件的地震計算和地震規(guī)定應(yīng)符合有關(guān)要求［3］。

2.2 構(gòu)件變形規(guī)定和構(gòu)造要求

根據(jù)規(guī)定，門式剛架柱頂位移設(shè)計限值為:無吊車時，當(dāng)采用輕型鋼墻板為(1/60)h，采用砌體墻為(1/240)h;有橋式吊車時，由地面操作為(1/180)h，由吊車駕駛室為(1/400)h。剛架斜梁撓度設(shè)計限值僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條時，構(gòu)件的豎向撓度與跨度比的限值為(1/180)L，有吊頂時為(1/240)L，有懸掛起重機時為(1/400)L(L為構(gòu)件的跨度，即單坡房屋為斜梁的寬度，雙坡房屋為一個坡面斜梁的長度)。當(dāng)輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計跨度較大時，在一定設(shè)計荷載情況下，受彎構(gòu)件的截面大小一般是由撓度變形值控制，而不是設(shè)計強度滿足結(jié)構(gòu)要求就可以了。在實際使用中剛架斜梁撓度太大不僅影響建筑物的正常使用，而且會造成屋面的變形，使其積水、漏雨，給房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件和生產(chǎn)安全造成了隱患。對于跨度比較大、撓度較難控制的剛架，可采用加設(shè)中間鉸接柱(搖擺柱)的方法，使撓度不至于起到控制作用，從而減少鋼梁因撓度控制而產(chǎn)生的截面過大，用鋼量增加的情況。另外，柱頂位移的變形也應(yīng)嚴(yán)格控制，若位移變形大，會造成吊車梁的移位變形，形成橋式吊車咔輪，影響通行，也會對結(jié)構(gòu)造成安全隱患。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，鋼構(gòu)件的壁厚不宜太薄，因為在其使用的環(huán)境和氣候會對構(gòu)件有一定的腐蝕，為了結(jié)構(gòu)的安全，冷彎薄壁型鋼墻梁和檁條其壁厚不宜＜1．5 mm，用于焊接主鋼架構(gòu)件腹板的鋼板，其厚度不宜＜4 mm。

2.3 結(jié)構(gòu)方案選擇和結(jié)構(gòu)體系布置

(1)結(jié)構(gòu)方案的選擇主要是根據(jù)建筑物的使用要求、場地地形、工藝配置來確定其平面柱網(wǎng)的布置和房屋的高度設(shè)置，剛架的柱距、跨度和房屋高度的合理選擇直接影響結(jié)構(gòu)單元面積的用鋼量，從而影響整個項目工程造價的經(jīng)濟(jì)合理性。若面積大的廠房還需考慮縱、橫向溫度區(qū)段的控制，溫度伸縮縫處可設(shè)置雙柱或通過設(shè)置檁條和屋面板的可調(diào)節(jié)構(gòu)造來實現(xiàn)。

(2)支撐和剛性系桿的布置。支撐分屋蓋水平支撐和柱間支撐，屋蓋水平支撐一般設(shè)在每個溫度區(qū)間端部的第1個或第2個開間，若支撐設(shè)在端部的第2個開間時，第1個開間應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的剛性系桿。柱間支撐是在廠房縱向柱間設(shè)置，并且和屋蓋水平支撐設(shè)在同一開間，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。無吊車時，一般取30～45 m;有吊車時不宜＞60 m。剛性系桿應(yīng)在柱頂和屋脊分別設(shè)置一道，并延縱向連續(xù)布置。屋蓋水平支撐、柱間支撐和剛性系桿組成幾何不變體系，是構(gòu)成結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定的支撐體系，承擔(dān)和傳遞風(fēng)荷載、地震力和起重機等縱向荷載從其作用點傳到柱腳最后傳到地基，并且可以防止桿件產(chǎn)生過大的振動變形失穩(wěn)，保證結(jié)構(gòu)安裝時的穩(wěn)定。

(3)檁條和墻梁的截面選型主要是根據(jù)其跨度、檁(梁)距和荷載來確定。檁(梁)距一般為1．5 m和3．0 m，當(dāng)柱距在9 m以下時，檁條通常采用冷彎薄壁型鋼;柱距在9～12 m范圍內(nèi)時，需要采用更大截面的構(gòu)件，如高頻焊接H型鋼等。屋面檁條一般宜等間距布置。側(cè)墻墻梁的布置，還應(yīng)考慮設(shè)置門窗、挑檐、遮雨篷等構(gòu)件和圍護(hù)材料的要求，墻梁通常布置在剛架柱的外側(cè)，其間距由墻板板型和規(guī)格確定，且不能大于由計算確定的數(shù)值。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

門式剛架輕型房屋的結(jié)構(gòu)計算分為結(jié)構(gòu)橫向計算和縱向計算，橫向計算主要是單榀門式剛架的內(nèi)力和變形計算，也就是承載能力計算;而縱向計算是建筑物的縱向穩(wěn)定計算。由于建筑物在長度方向的縱向結(jié)構(gòu)剛度較弱，于是需要沿建筑物的縱向設(shè)置柱間支撐以保證其縱向的穩(wěn)定性。設(shè)計時可以用軟件PKPM2010中的STS建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析。

3 門式剛架設(shè)計時應(yīng)注意的問題

(1)鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能較差，易銹蝕，主要與建筑物周圍的環(huán)境、大氣中的有害成分(如酸、鹽等)和建筑物內(nèi)的溫濕度及通風(fēng)情況有關(guān)，一般不宜用于高濕、高溫及強烈腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中。設(shè)計時應(yīng)盡量采用自然通風(fēng)較好的結(jié)構(gòu)布置方案，隔離有腐蝕介質(zhì)區(qū)域或限制腐蝕介質(zhì)的來源，節(jié)點的構(gòu)造宜簡單，盡量避免采用易于積灰、積水及難于檢查、清除、涂漆的截面，并進(jìn)行除銹涂漆處理。若結(jié)構(gòu)處于濕度較大、有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，還要用防腐材料包裹，先除去構(gòu)件表面的銹，環(huán)氧膩子補縫刮平，用環(huán)氧玻璃鋼布等抗腐蝕的材料包裹，層數(shù)根據(jù)腐蝕介質(zhì)的強弱來定。在施工時盡量避免或減少涂刷油漆后進(jìn)行焊接，以防止破壞漆膜的完整性，對破壞的應(yīng)及時補涂油漆。

(2)鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗火性能差，極易傳導(dǎo)熱量，在保證結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限范圍內(nèi)，必須進(jìn)行防火保護(hù)和防火處理。主要方法有涂料保護(hù)、防火板保護(hù)、混凝土保護(hù)、柔性卷材保護(hù)、無機纖維保護(hù)、結(jié)構(gòu)內(nèi)通水冷卻保護(hù)等措施。

(3)門式剛架斜梁拼接時，翼緣板和拼接的拼接接頭不能放在同一截面上，應(yīng)錯開拼接。

(4)門式剛架柱腳在地面以下的部分應(yīng)采用強度等級較低的砼包裹，包裹厚度要≥50 mm，包裹高度要高出地面150 mm;若柱腳底面在地面以上時，柱腳底面應(yīng)高出地面100 mm。

4 結(jié) 語

門式剛架輕型房屋具有自重輕、承載力高、整體剛度和抗震性能好、制作工業(yè)化程度高、施工速度快、可建大空間、大跨度房屋等特點，在工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。門式剛架輕型房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過對結(jié)構(gòu)設(shè)計的布置、分析及設(shè)計方案的選擇，合理配置，能有效地起到規(guī)范化、專業(yè)化的制作安裝，起到節(jié)約投資的作用。

［1］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會．CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)［S］．北京:中國計劃出版社，2012．

［2］GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［3］GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［4］GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003．

［5］趙熙元，柴昶，武人岱．建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1995．

［6］王全鳳，高軒能，等．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及實用計算［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［7］林攀舉．淺談門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．科技資訊，2010(21):79．

［8］萬春．輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用［J］．四川水力發(fā)電，2010(4):87-88．

［9］韓旭，譚碧，程?。T式鋼架設(shè)計中風(fēng)荷載體型系數(shù)的取用研究［J］．工業(yè)建筑，2009(增刊):1112-1117．