單層門式鋼架的設(shè)計優(yōu)化

李 耀 曹正斌

（中機國際工程設(shè)計研究院有限公司 湖南長沙 410000）

1 引言

21世紀后，我國不斷引進新的設(shè)計理論和方法，為鋼結(jié)構(gòu)的運用和發(fā)展提供了有力保障。在新時代背景下，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)無法滿足新工藝、新設(shè)備和新材料的使用需求，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和普通鋼結(jié)構(gòu)相比，單層門式鋼架因其優(yōu)越性和經(jīng)濟效益，迅速成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的熱點。在建筑工程中，若是單跨鋼架則采用鋼接焊接，若為多跨則采用鋼接和鉸接混合設(shè)計，這種設(shè)計方式能夠有效保證構(gòu)件不受外力影響而發(fā)生形變，值得引起關(guān)注與重視。

2 單層門式鋼架國內(nèi)外發(fā)展狀況

2.1 國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀

單層門式鋼架最早出現(xiàn)在美國，經(jīng)過長時間發(fā)展與運用，現(xiàn)在已經(jīng)形成一種相對完善的結(jié)構(gòu)體系。隨著設(shè)計形式多樣化發(fā)展，業(yè)主無需帶著圖紙委托施工，只需要向承包商進行訂購，且承包商能按照業(yè)主的要求在規(guī)定時間內(nèi)完成、交付即可。據(jù)調(diào)查單層門式鋼架在國外各行業(yè)領(lǐng)域中的運用情況為：商業(yè)（銀行、車庫設(shè)施等）占比42%，制造業(yè)（制造廠房、倉庫等）占比34%，文化娛樂業(yè)（學(xué)校、醫(yī)院、福利設(shè)施等）占比9%，其它（簡易房、小型工廠、改擴建等）占比15%。

2.2 國內(nèi)發(fā)展與研究現(xiàn)狀

我國單層門式鋼架結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用起步相對較晚，根據(jù)我國經(jīng)濟建設(shè)的需要，建設(shè)部將“輕型鋼結(jié)構(gòu)門式鋼架”作為快速房屋體系發(fā)展的方向之一，在相關(guān)城市廠房工程中進行了試點研究，為門式鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。為了更好地推動門式鋼架結(jié)構(gòu)的發(fā)展，我國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會等單位聯(lián)合研究并編制了《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，該規(guī)范為門式鋼架結(jié)構(gòu)的運用與發(fā)展提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

近幾年，我國這對門式鋼架設(shè)計的研究主要集中在門式鋼架抗震設(shè)計、輕型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究與輕鋼結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)等方面。

3 單層門式鋼架結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計

3.1 鋼架的建筑尺寸和布置

單層門式鋼架跨度適宜控制在10～35m內(nèi)，若柱寬度不均等，應(yīng)將其統(tǒng)一向外側(cè)對齊；門式鋼架結(jié)構(gòu)的高度可根據(jù)室內(nèi)高度進行調(diào)整，一般在4.5～9m內(nèi)；門式鋼架間的距離需要綜合考慮到鋼架跨度、負荷大小，通常可將間距設(shè)置為6m、7.5m和9m；確?？v向、橫向溫度區(qū)段分別小于300m、150m。

鋼架荷載的荷載組合：

（1）屋面均布荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)選取二者中的較大值；

（2）同時考慮積灰荷載與雪荷載或屋面均布活載中的較大值；

（3）風(fēng)荷載不可與地震荷載一同考慮。

3.2 鋼架最優(yōu)間距的確定

鋼架間距的確定與屋面荷載、檁條形式等原因相關(guān)，若鋼架跨度較小的話，選用較大的鋼架間距則會增加檁條的用鋼量，經(jīng)濟性較差。經(jīng)過相關(guān)計算可知，隨著柱距的增加，鋼架用鋼量比例呈逐漸下降的趨勢，當柱距增大到一定數(shù)值后，鋼架用鋼量的下降幅度較為平緩。通常柱高6m時，各種跨度對應(yīng)的鋼架最優(yōu)間距為：跨度在9～12m范圍時，最優(yōu)間距為5.5m；跨度在12～18m時，最優(yōu)間距為6m；跨度在18～36m范圍時，最優(yōu)間距為6～7.5m；跨度在36～45m范圍時，最優(yōu)間距為1/5～1/6跨度。

3.3 單層門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）通常情況下，門式鋼架結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度和彎折性較弱，故在其運輸和安裝過程中應(yīng)做好相應(yīng)的防護措施，防止構(gòu)件發(fā)生形變；

（2）做好墻體、房頂和面板間的對接處理，提高整個支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

（3）由于構(gòu)件屬于鋼材材質(zhì)，故其使用過程中應(yīng)考慮到鋼材生銹對結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力造成的負面影響；

（4）在單層門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)合理處理輕型化造成的一系列問題，包括大風(fēng)力可能會增加屋面荷載等；

（5）通常在實際應(yīng)用中，單層門式鋼結(jié)構(gòu)會選擇框排架結(jié)構(gòu)體系，這一結(jié)構(gòu)通過多榀并排平面主框架在某些縱向構(gòu)件連接形成的空間結(jié)構(gòu)體系；在主框架選型方面，通過鋼屋架代替框架橫梁，再將梯形屋架和三角屋架作為主要的結(jié)構(gòu)形式。

3.4 連接節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計

單層門式鋼架橫梁與柱的連接通常采用以下三種形式：①端板豎放。這種連接形式對螺栓或焊縫的要求較高；②端板平放。這種連接形式的剛度較小，通常需要梁柱加腋，但安裝操作較為便捷；③端板斜放。端板斜放鋼架的剛度最大，但構(gòu)件制造和安裝的難度較大。斜梁拼接點適宜采用端板外伸式，這種類型的節(jié)點受力相對合理，承載力較高，故應(yīng)盡量采用外伸式端板連接。

4 圍護構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計

4.1 檁條與墻梁

檁條形式包括有型鋼檁條和組合檁條，在門式鋼架中常選用的截面形式為實腹式冷彎薄壁C型或Z型；檁條間距的確定應(yīng)考慮到天窗面積及數(shù)量、采光度要求、檁條長度及剛度等因素，若工程沒有特殊要求的話，通常采用等間距布局，即在屋脊兩側(cè)均勻布置一道，在天溝布置一道。墻梁通常支撐于建筑物的承重柱或墻架柱上，將墻體的荷載傳遞給柱子；墻梁布置原則與檁條相似。

4.2 支撐和剛性系桿的布置

（1）在每個溫度區(qū)域內(nèi)均要確保其具有獨立的空間穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)；

（2）在柱間支撐開間設(shè)計過程中，有必要對屋蓋進行橫向支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于提高整個結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性；

（3）端部支撐通常會設(shè)置在溫度區(qū)段端部的第一、二個開間位置；柱間支撐距離應(yīng)結(jié)合房屋縱向受力分布情況進行確定，通?？刂圃?0～45m范圍內(nèi)；

（4）在鋼架轉(zhuǎn)折處，可結(jié)合房屋長度來設(shè)置剛性系桿，或者采用檁條材料代替剛性系桿，但若檁條的受力和剛度性能達不到相關(guān)要求，可考慮在鋼架斜梁間加裝H型鋼或鋼柱，以提高整體結(jié)構(gòu)的工作強度。

4.3 空間的優(yōu)化設(shè)計

單層門式鋼架的優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)在充分了解房屋功能和施工工藝要求的基礎(chǔ)上，重視空間層面的優(yōu)化，對鋼結(jié)構(gòu)的分析意見以及投資影響較大的限制因素，應(yīng)及時反饋給設(shè)計人員和建設(shè)單位；在吊車噸位方面，應(yīng)根據(jù)實際要求選擇合適的吊車重量，盡量選擇自重輕的吊車。

5 基于實例分析單層門式鋼架的優(yōu)化設(shè)計

5.1 工程概況

本工程主要使用功能為工業(yè)廠房，建筑面積為7328.60m2，屋面采用擦條上鋪彩色鋼板，外圍護墻采用彩色鋼板；設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，鋼結(jié)構(gòu)部分維護檢修年限不超過10年。

單層門式鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計：門式鋼架長56m，共兩跨；邊柱標高為15m，中柱標高為16.4m；考慮到該工業(yè)廠房需要較大的操作空間，故將鋼架分為兩類：①中間不抽柱的鋼架；②抽柱式鋼架。

5.2 結(jié)構(gòu)布置

本工程有兩種鋼架平面模型，普通榀鋼架GJ-1和抽柱榀鋼架GJ-2。本文重點分析抽柱榀鋼架GJ-2結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.3 GJ-2結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.3.1 鋼架斜梁

考慮構(gòu)件屈曲后強度時，其強度計算應(yīng)力比為0.635＜1.0；構(gòu)件經(jīng)計算后得出抗剪強度應(yīng)力比為0.115＜1.0。

5.3.2 鋼架柱頂水平位移分析

抽柱榀門式鋼架在平面內(nèi)的剛度小，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，無吊車的單層門式鋼架柱頂?shù)奈灰撇灰顺^h/60（h為鋼架柱高度），經(jīng)檢驗，設(shè)計滿足規(guī)范要求。

5.3.3 受彎鋼架斜梁的撓度驗算

因為抽柱的原因，鋼架抽柱處的梁撓度增大，故控制好抽柱處鋼架梁的撓度十分重要。按照規(guī)范中受彎構(gòu)件撓度的允許值，恒載加活載作用下的允許撓跨比1/180來控制鋼架梁的撓度，滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

5.4 支撐設(shè)計

5.4.1 支撐設(shè)計原則

（1）確保結(jié)構(gòu)能夠明確的傳遞縱向荷載，縮短結(jié)構(gòu)的傳力途徑；

（2）保證結(jié)構(gòu)體系平面外的穩(wěn)定性；

（3）保證結(jié)構(gòu)安裝的便捷性；

（4）支撐必須滿足強度、剛度設(shè)計要求。5.4.2屋蓋水平支撐的設(shè)計

由于本工程存在局部抽柱的現(xiàn)象，為了保證屋蓋的剛性，對屋蓋縱向進行了如下設(shè)計：縱向支撐增加了鋼架之間的相互約束，有利于調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度，提高結(jié)構(gòu)的整體性，使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)成空間性。

5.4.3 柱間支撐

本工程由于抽柱的原因需要在托梁兩端設(shè)置柱間支撐，以此來提高結(jié)構(gòu)的縱向剛度。本工程柱間支撐采取交叉形，通常這種設(shè)計方式可以按照受拉桿件進行設(shè)計，即僅考慮其中一根桿件受拉。

6 結(jié)語

綜上所述，在單層門式鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化實施中，仍存在諸多不足有待優(yōu)化和完善，在現(xiàn)代建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展的背景下，對單層門式鋼架結(jié)構(gòu)的選擇與應(yīng)用將會成為主流趨勢，為此，在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中因加強重視，從而為鋼結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計提供理論依據(jù)，保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性、合理性。

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