談?shì)p型門式剛架結(jié)構(gòu)

邱 鑫

(山西路晟交通建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

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談?shì)p型門式剛架結(jié)構(gòu)

邱 鑫

(山西路晟交通建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030000)

基于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的組成與特點(diǎn)，分析了該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，并闡述了輕型門式剛架結(jié)構(gòu)選型、平面布置及支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，使輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

輕型門式剛架，結(jié)構(gòu)形式，平面布置，支撐系統(tǒng)，框架結(jié)構(gòu)

1 概述

1.1 組成

以輕型焊接H型鋼或熱軋型鋼或冷彎薄壁型鋼構(gòu)成的剛架為主要承重骨架，以薄壁型鋼為檁條，以壓型金屬板為屋面墻面，在外側(cè)設(shè)置保溫隔熱材料的輕型房屋稱之為輕型門式剛架。其中，梁柱大都采用焊接H型鋼，梁柱節(jié)點(diǎn)安裝跨度不同，采用不同的連接形式，對(duì)于單跨結(jié)構(gòu)采用剛性連接，對(duì)于多跨采用剛鉸并用的原則。鋼柱和基礎(chǔ)可以采用剛接，也可采用鉸接。建筑圍護(hù)采用含玻璃棉的壓型鋼板，它具備自重小和保溫隔熱的優(yōu)點(diǎn)，所以屋面和墻面都是采用復(fù)合結(jié)構(gòu)板，而主要受力構(gòu)件(梁、柱)均為型鋼。

1.2 特點(diǎn)

1)區(qū)別于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的砌體填充墻體，輕型門式剛架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)大多采用壓型鋼板和玻璃棉組合的材料，這種材料可以應(yīng)用在墻體，也可應(yīng)用在屋頂，由于材料的自身容重小，導(dǎo)致組合產(chǎn)品的整體質(zhì)量輕，所以對(duì)于輕型門式剛架的承重結(jié)構(gòu)也是非常有利的。由于輕型門式剛架應(yīng)用多年，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，單層輕型門式剛架每平方米用鋼量約20 kg，在條件相同的條件下，自身重量?jī)H僅為傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/25。由于自身重量輕，相關(guān)聯(lián)的地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)費(fèi)用也能降低很多。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)，在相同地震烈度作用下，輕型門式剛架地震反應(yīng)小，但是由于質(zhì)量輕，風(fēng)荷載對(duì)輕型門式剛架的受力影響較大，所以在做設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載是輕型門式剛架的控制荷載。

2)輕型門式剛架的主要受力構(gòu)件均為鋼結(jié)構(gòu)工廠現(xiàn)場(chǎng)制作，質(zhì)量易于保證，運(yùn)輸?shù)绞┕すさ睾?，只需進(jìn)行吊裝焊接，施工工序簡(jiǎn)單，工期短，操作平臺(tái)小，相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)施工人員少。但由于鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)連接常采用焊接和螺栓連接，故對(duì)工人施工技術(shù)要求高，對(duì)施工工藝尤其是焊接工藝要求高。

3)由于鋼材的價(jià)格高于鋼筋混凝土成本，但由于設(shè)計(jì)施工周期短，構(gòu)件生產(chǎn)加工自動(dòng)化程度高，建筑材料種類少，且便于運(yùn)輸，故輕型門式剛架總體投資費(fèi)用相比混凝土結(jié)構(gòu)略低，周期短也會(huì)使資金周轉(zhuǎn)快，投資效益高。

4)普通框架結(jié)構(gòu)受材料因素的制約，往往柱距控制在9 m以內(nèi)，超大跨結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，而輕型門式剛架由于自重輕，且鋼材的延性彈性較高，故柱網(wǎng)布置基本不受限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求確定。

5)檁條、墻梁和隅撐的設(shè)置使輕型門式剛架的整體穩(wěn)定性大大增加，還能減少屋蓋的支撐數(shù)量。對(duì)于輕型門式剛架的梁柱為了節(jié)省材料，可采用變截面構(gòu)件，同時(shí)由于變截面門式剛架達(dá)到極限時(shí)，可能會(huì)在多個(gè)截面處形成塑性鉸，因此塑性設(shè)計(jì)不再適用。一些組成構(gòu)件由于很薄，在制作、運(yùn)輸、施工中的難度也會(huì)增大，在輕型門式剛架中，焊接板最小厚度僅僅為3.0 mm，冷彎薄壁型鋼最小厚度為1.5 mm，壓型鋼板的最小厚度為0.4 mm，因此在構(gòu)件施工焊接時(shí)，如果外力過(guò)大，會(huì)造成構(gòu)件的局部變形，同樣銹蝕問(wèn)題也是相當(dāng)嚴(yán)重的。所以在運(yùn)輸施工中要采取必要的保護(hù)構(gòu)件措施，防止構(gòu)件因非工程原因而失去結(jié)構(gòu)效果。

1.3 應(yīng)用

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)在我國(guó)開展較晚，隨著改革開放和煉鋼技術(shù)的大提升才有的發(fā)展，主要用于大跨度的廠房、建材倉(cāng)庫(kù)、物流倉(cāng)庫(kù)、大型超市、小型體育館等結(jié)構(gòu)，還有一些房屋加層和簡(jiǎn)易互動(dòng)用房。相應(yīng)的大型鋼結(jié)構(gòu)公司也蓬勃發(fā)展。

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)形式

輕型門式剛架常常被稱為山形門式剛架，是按照其樣式形象命名的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按照跨度區(qū)分為單跨、雙跨和多跨結(jié)構(gòu)；按照屋面坡脊數(shù)分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。對(duì)于多跨輕型門式剛架，在相同跨度情況下，多脊多坡和單脊雙坡總耗鋼量基本相同，但在考慮雨水排水問(wèn)題時(shí)，常采用單脊雙坡，而多脊多坡容易產(chǎn)生漏水和堆雪情況，增加屋面板重量，出現(xiàn)安全隱患，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中盡量避免多脊多坡形式。對(duì)于無(wú)橋式吊車廠房，當(dāng)風(fēng)荷載因素影響不大時(shí)，常常使用單脊雙坡輕型門式剛架，這種情況的中柱可采用上下兩端鉸接的搖擺柱，與之相連的梁也構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且制作安裝都省事，這些柱不參與結(jié)構(gòu)抵抗受力，截面選擇也更加容易。反之，若廠房設(shè)有橋式吊車時(shí)，中柱需要和基礎(chǔ)與梁剛接，以增加輕型門式剛架的側(cè)向剛度。所以說(shuō)輕型門式剛架采用邊柱和梁的組合形式，可以承擔(dān)全部的抗側(cè)力體系，邊柱的高度降低也可以使鋼材發(fā)揮最好的效果。

對(duì)于輕型門式剛架，柱一般采用等截面構(gòu)件，柱腳一般按照鉸接支撐設(shè)計(jì)，對(duì)于有吊車的則采用剛接。輕鋼屋面坡度一般取1/20～1/8，雨水較多的地區(qū)坡度選取越大，越利于排水和防止鋼板銹蝕。對(duì)于主要梁柱構(gòu)件，一般情況柱為單獨(dú)單元構(gòu)件，需采用焊接連接本身；梁屬于多單元構(gòu)件，可通過(guò)設(shè)置端板采用螺栓進(jìn)行單元間的連接。對(duì)于起重吊車的噸數(shù)，也要按照相應(yīng)的級(jí)數(shù)來(lái)確定吊車梁和柱的截面尺寸。

2.2 平面布置

1)剛架尺寸的選取。輕型門式剛架的跨度一般就是橫向鋼柱的距離，一般為10 m～40 m，常規(guī)按3 m的模數(shù)，對(duì)于特殊情況也可不按這個(gè)要求。為了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的美觀實(shí)用，邊柱應(yīng)保證外側(cè)對(duì)齊。鋼柱計(jì)算高度按地坪至斜梁與柱交點(diǎn)為準(zhǔn)，高度不宜大于9 m，不宜低于4 m。輕型門式剛架的間距一般取6 m，7.5 m或9 m，也可根據(jù)荷載條件及使用要求進(jìn)行改變，盡量避免大小跨和突變跨。屋面挑檐長(zhǎng)度取1 m左右，不宜大于1.2 m，坡度與屋脊斜梁相同。對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于自重輕且截面薄，所以受溫度應(yīng)力影響較小，所以溫度分區(qū)段長(zhǎng)度可按照縱向不大于300 m，橫向不大于150 m的要求設(shè)置。對(duì)于廠房縱向尺寸過(guò)于長(zhǎng)或者出現(xiàn)特殊情況需要設(shè)置伸縮縫時(shí)，可采用雙柱設(shè)縫或在搭接檁條的螺栓孔采用長(zhǎng)圓孔的方式，并且在屋面板構(gòu)造上允許伸縮。

2)墻梁、檁條的設(shè)置。檁條應(yīng)等距設(shè)置，在屋脊處應(yīng)沿脊兩側(cè)各設(shè)置一道，天溝處設(shè)置一道，以保證屋面板尺寸不宜過(guò)大和便于固定的要求。檁條間距常按照天窗位置、通風(fēng)口位置、采光帶位置等因素確定。側(cè)墻墻梁應(yīng)考慮門窗、挑檐、雨篷的要求進(jìn)行選取。對(duì)于壓型鋼板圍護(hù)時(shí)，墻梁宜布置在剛架柱的外側(cè)，其間距應(yīng)按計(jì)算確定。

3)支撐系統(tǒng)。每個(gè)溫度區(qū)段應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的支撐體系；支撐設(shè)置在柱間和屋蓋間，使支撐形成幾何不變體系；端部支撐一般設(shè)置在第一開間或第二開間，支撐間距不宜大于45 m，有吊車時(shí)不宜大于60 m，如果支撐設(shè)置在第二開間，第一開間應(yīng)設(shè)置剛性系桿；對(duì)于輕型門式剛架轉(zhuǎn)折處應(yīng)設(shè)置全長(zhǎng)剛性系桿，剛性系桿可由檁條承擔(dān)作用。支撐雖然不是主要承重構(gòu)件，但對(duì)于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是不可或缺的。

3 結(jié)語(yǔ)

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系是當(dāng)?shù)卮罂缍蠕摻Y(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛的結(jié)構(gòu)形式，基本原理和適用條件基本都有相應(yīng)的規(guī)定，只是在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，很多細(xì)節(jié)需要注意，尤其是支撐和風(fēng)荷載的考慮。

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)(下冊(cè))房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

Discussion on light weight steel portal frame structure

Qiu Xin

(Shanxi Lusheng Traffic Building Design Co., Ltd, Taiyuan 030000, China)

Based on the composition and features of light weight steel portal frame structure, the paper analyzes its application scope, describes light weight steel portal frame structure shape, plane layout and bearing system design principles, so as to make light weight steel portal frame structure design meet demands.

light weight steel portal frame, structural form, plane layout, bearing system, frame structure

1009-6825(2016)34-0053-02

2016-09-25

邱 鑫(1981- )，男，助理工程師

TU328

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