淺談門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計幾點體會

方海龍

【摘 要】門式剛架是目前輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的一種鋼結(jié)構(gòu)形式。本文就門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的問題進(jìn)行闡述，并對重點的設(shè)計要點進(jìn)行歸納總結(jié)，以供同行借鑒。

【關(guān)鍵詞】門式剛架結(jié)構(gòu)；設(shè)計要點

On the portal frame structure design Experience

Fang Hai-long

（Hebei Jin Ning Du Project Management Ltd Handan Hebei 056003）

【Abstract】Door frame is lightweight steel structure housing the most widely used form of a steel structure. In this paper， the design of portal frame structure to elaborate a common problem， and focus on the design features to summarize for peer learning.

【Key words】Portal frame structure；Design elements

1. 引言

門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法，按分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進(jìn)行計算；承重構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計。下面簡要探討一下門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題。

2. 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的問題

2.1 屋面活荷載取值的問題?？蚣芎奢d取0.3KN/m2：已經(jīng)沿用多年，但屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5 KN/m2。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5 KN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于6Om2的可乘折減系數(shù)0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3KN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范保持一致。國外這類，要考慮0.15～0.5KN/m2 的附加荷載，而我們無此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問題。設(shè)計時可適當(dāng)提高至0.5KN/m2。現(xiàn)在有的框架梁太細(xì)，檁條太小，明顯有人為減少荷載情況，應(yīng)特別注意，決不允許在有限的活荷載中“偷工減料”。

2.2 屋脊垂度要控制?？蚣苄绷旱呢Q向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度？過去不明確，可能不包括屋脊點垂度?，F(xiàn)在應(yīng)該是計算的。一般是將構(gòu)件分段，用等截面程序計算，每段都要計算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗算跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來就小，脊點下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。本人有此想法，剛架側(cè)移后，當(dāng)山尖下垂對坡度影響較大時（例如使坡度小于1/20），要驗算山尖垂度，以便對屋面剛度進(jìn)行控制。

2.3 鋼柱換砼柱。少數(shù)設(shè)計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預(yù)埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因為混凝土是一種脆性材料，雖然構(gòu)件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動和破壞。有些設(shè)計，在門式剛架設(shè)計好之后，又根據(jù)業(yè)主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應(yīng)當(dāng)指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構(gòu)件內(nèi)力也不同，要的工程斜梁很細(xì)，可能與此有關(guān)。

2.4 檁條計算不安全。主要是檁條計算問題較大。檁要是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大。在受力時要屈曲，強(qiáng)度計算應(yīng)采用有效寬度，對原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）中講的，有的設(shè)計人員恐怕還不了解，甚至有些設(shè)計軟件也未考慮。但是，設(shè)計光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮。再有，設(shè)計人員往往忽略強(qiáng)度計算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計算不用凈截面，實際應(yīng)力將高于計算值?！兑?guī)范》4.1.8和4.1.9條規(guī)定“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計算；穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計算。變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計算”。有的單位看到國外資料中檁條很薄，也想用薄的。國外檁條普遍采用高強(qiáng)度低合金鋼，但我國低合金鋼Q345的沖壓性能不行，只有用Q235的。國外是按有效截面計算承載力的，如果用Q235的，又想用得薄，計算時還不考慮有效截面，荷載稍大時檁條就要垮。

3. 門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中幾個要點

3.1 柱網(wǎng)布置的確定。輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中首先要解決的問題是如何配合工藝要求進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置。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。通過已往多個工程的設(shè)計實踐，在門式鋼架設(shè)計過程中對柱網(wǎng)安排得出：

（1）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之間的鋼架單位用鋼量（Q235B）為l8～28Kg/m ，當(dāng)跨度在2l～48m之間的鋼架單位用鋼量為25～40Kg/m，當(dāng)檐高為12m、跨度超過48m時宜采用多跨鋼架（中聞設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨鋼架節(jié)約l8%左右，因此設(shè)計門式鋼架時應(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。對門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)而言，鋼架用鋼量是最主要的，當(dāng)鋼架跨度較小時，鋼架用鋼量甚至占總用鋼量的50%以上，而其它各單用鋼量，特別是墻架梁、柱間支撐、屋面支撐，其用鋼量所占比例較小，因此，在設(shè)計門式鋼架時應(yīng)精確設(shè)計，合理使用。endprint

（2）隨著柱距增大，其它各部分結(jié)構(gòu)的用鋼量均隨柱距的增加而增加，特別是吊車梁，由于柱距較大，須采用格構(gòu)形式，其用鋼量所占比例較大，并最終超過了鋼架的用鋼量。其次是檁條，由于長細(xì)比的要求，用鋼量增加也較快。綜合各項用鋼量，設(shè)計時可以做出多種方案進(jìn)行比較，最終選擇最佳方案。

3.2 門式鋼架荷載取值。門式鋼架房屋上作用的荷載一般有：豎向荷載（結(jié)構(gòu)自重、雪荷載、積灰荷載等）和水平荷載（風(fēng)荷載、吊車剎車力），還有地震荷載（水平和豎向）。由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，所以對地震的反應(yīng)也較輕，這一點對抗震非常有利。

3.3 鋼架內(nèi)力和側(cè)移計算方法。

（1）內(nèi)力計算方法對于變截面門式鋼架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)鋼架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法 變截面門式鋼架的內(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(jī)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、粱跨中等截面。

（2）側(cè)移計算方法變截面門式鋼架的柱頂側(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) 如果最后驗算時鋼架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施進(jìn)行調(diào)整放大柱或梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳。

3.4 檁條、拉條和撐桿設(shè)計。

3.4.1 檁條設(shè)計。

（1）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 主軸方向計算彎矩。設(shè)計時，應(yīng)對檁條進(jìn)行強(qiáng)度計算、整體穩(wěn)定計算、變形計算。

（2）檁條設(shè)計時，要考慮檁應(yīng)為冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時要屈曲，強(qiáng)度計算應(yīng)采用有效寬度，對原有截面要減弱。同時強(qiáng)度計算要用凈斷面，要考慮釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6～15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。鋼架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計算不用凈截面，實際應(yīng)力將高于計算值。《規(guī)范》4.1.8和4.1.9條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計算，穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計算。變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計算 ?！保?）檁條設(shè)計時，應(yīng)考慮檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構(gòu)件，而且也是鋼架梁柱隅撐設(shè)置的支撐體，設(shè)置一定數(shù)量的隅撐可減少鋼架平面外的計算長度，有效的保證了鋼架的平面外整體穩(wěn)定性。

3.4.2 檁條的拉條和撐桿設(shè)計。

（1）拉條的設(shè)置：檁條的拉條設(shè)置與是否主要和檁條的側(cè)向剛度有關(guān)，對于側(cè)向剛度較大的輕型H型鋼和空間桁架式檁條一般可不設(shè)拉條。對于側(cè)向剛度較差的實腹時和平面桁架式檁條，為了減小檁條在安裝和使用階段的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，保證整體穩(wěn)定性，一般需在檁條間設(shè)置拉條，作為側(cè)向支撐點。當(dāng)檁條跨度≤4m時，可按計算要求確定是否需要設(shè)置拉條，當(dāng)屋面坡度i>1/10，檁條跨度>4時，宜在檁條的跨中位置設(shè)置一道拉條，當(dāng)跨度>6m時，宜在檁條跨度三分點處各設(shè)一道拉條或撐竿，在檐口處還應(yīng)設(shè)置斜拉條和撐桿。拉條的直徑為8～12ram，根據(jù)荷載和檁距大小選用。

（2）撐桿的設(shè)置：檁條撐桿的作用主要是限制檐檁和天窗缺口處邊檁向上或向下兩個方向的側(cè)向彎曲。撐竿的長細(xì)比按壓桿要求要≤220，可采用鋼管、方管或角鋼做成。目前也有采用鋼管內(nèi)設(shè)拉條的做法。撐竿處應(yīng)同時設(shè)置斜拉條。

3.5 屋面支撐與柱間支撐的大小確定。

（1）屋面支撐。屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且風(fēng)壓較大時，桿件截面應(yīng)按桁架體系計算出的內(nèi)力確定。計算支撐桿件內(nèi)力時，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

（2）柱間支撐。對廠房來說：分為上層支撐和下層支撐。上層支撐計算時，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿按柔性拉桿計算 交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時一般用圓鋼，較大時應(yīng)采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時，應(yīng)交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計。

3.6 隅撐的作用與設(shè)計。

隅撐之所以要設(shè)，是因為鋼架斜梁受力的變化。在恒荷載和活荷載等荷載組合作用下，一般的梁受力是上翼緣受壓，下翼緣受拉，這樣檁條與鋼梁的有效連接為梁上翼緣的穩(wěn)定提供了可靠的支撐。所以一般情況下梁的平面外計算長度取兩倍的檁條間距，上翼緣的穩(wěn)定可以保證 但在受到風(fēng)吸力荷載作用時，下翼緣受壓，上翼緣受拉，這樣下翼緣的穩(wěn)定性沒有可靠的平面外支撐。因此，在梁的下翼緣上應(yīng)加設(shè)隅撐給鋼粱的下翼緣提供支撐。隅撐一邊與梁的下翼緣連接，一邊與檁條連接。

4. 結(jié)語

在輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通過對設(shè)計要點和重點的把握及合理配置，可以有效地起到方便制作、安裝，節(jié)約鋼材用量的作用輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)具有造價低、重量輕，安裝方便.施工周期短等優(yōu)點，在工業(yè)廠房中得到較為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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