淺談輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊劍鳳

摘 要：近年來，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用范圍日益廣泛，主要原因在于鋼結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性均十分突出。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)十分普遍，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的選材、檁條設(shè)計(jì)和整體變形等因素都直接影響到門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)使用的安全性和可靠性。因此文章結(jié)合實(shí)例，就輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行簡要探討。

關(guān)鍵詞：輕型門式剛架；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 前言

在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑類型中，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)體系算是一類被采用十分廣泛的體系。它主要使用等截面或者變截面的焊接H型鋼當(dāng)做其梁柱，同時(shí)把冷彎薄壁型鋼當(dāng)做檁條、墻梁和墻柱，使用彩鋼板當(dāng)做墻板和屋面板，并配備零件、門窗等形成的相對十分完備的建筑體系。門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效的實(shí)現(xiàn)了材料的合理分工使用，構(gòu)件尺寸比較小而且抗震性能十分好，實(shí)際施工的方式相對簡便，對以后檢查維修帶來便利。所以，要求一些從業(yè)員工在對這個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要熟悉一些影響因素的影響程度，進(jìn)一步快速提升輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 荷載計(jì)算

現(xiàn)行荷載規(guī)范增加了以恒載為主的不利組合式，屋面活荷載中主要考慮的僅是施工荷載即偶然因素的不利影響，故又恢復(fù)到0.5kN/m2。但注明“對不同結(jié)構(gòu)可按有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范作0.2kN/m2的增減”。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“對支承輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載且受荷面積超過60m2時(shí)，取0.3kNm2”。

2.2 檁條設(shè)計(jì)

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)一般采用型鋼作為構(gòu)件，類型多為Z、C型。使用型剛作為墻梁時(shí)要注意房屋實(shí)際受力情況做好鋼材選擇，Z型型鋼比C型型鋼更具有實(shí)用性，因此，大多使用Z型型鋼作為剛架結(jié)構(gòu)的主建材。首先，使用Z型型鋼作為剛架結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該做好截面壓力測試，按照梁或者簡支作為主要的計(jì)算方式；其次，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中首選Z型截面，但是在特殊節(jié)點(diǎn)處應(yīng)該采用C型截面，C型截面具有較好的受力能力，耐壓性較強(qiáng)，而且采用螺栓構(gòu)架時(shí)還具有非常便利的計(jì)算方式和方法；最后，檁條與墻梁的間距不得大于相應(yīng)受壓翼緣寬度的16（235/fy）0.5倍。間距選擇時(shí)要特別注意力學(xué)測試，防止構(gòu)造角度偏差，一般檁條與墻梁的間距的結(jié)構(gòu)性角度最好保持為1.5m。此外，在進(jìn)行檁條設(shè)計(jì)時(shí)要注意強(qiáng)度計(jì)算，檁條是輕型門式剛架機(jī)構(gòu)的主要承重點(diǎn)，在建筑物中承重壓力較大，因此在設(shè)計(jì)要考慮屈度因素，根據(jù)截面強(qiáng)度以及拉條和隅撐的設(shè)置，做好檁條設(shè)計(jì)。

2.3 支撐系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)方案的選擇

剛性系桿構(gòu)件選用型鋼和鋼管，并與剛架通過螺栓鉸接，其截面的大小一般按壓桿穩(wěn)定性要求或通過受力計(jì)算決定，其設(shè)置主要考慮剛架轉(zhuǎn)角和屋脊聯(lián)結(jié)處（其中屋脊處的剛性系桿可由用于此處屋脊構(gòu)造需要的、剛度較大的雙檁條及聯(lián)結(jié)所代替）。另外，剛性系桿的間距主要取決于剛架構(gòu)件的平面穩(wěn)定性要求。第一，屋面支撐。屋面支撐受力較小，桿件截面通?？砂慈菰S長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，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(jì)，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(shí)，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時(shí)，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。

第二，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(jì)算時(shí)，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(jì)算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時(shí)一般用圓鋼，較大時(shí)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(shí)，應(yīng)交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計(jì)。

3 應(yīng)用實(shí)例

以下以單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)為例，就整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的布置、單個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題做了系統(tǒng)闡述。

3.1 結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置

3.1.1 結(jié)構(gòu)形式

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(shí)，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不是很大時(shí)，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(jì)，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)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。

3.1.2 結(jié)構(gòu)布置

（1）剛架的建筑尺寸和布置。門式剛架的跨度宜為9m～36m，當(dāng)柱寬度不等時(shí)，其外側(cè)應(yīng)對齊。高度應(yīng)根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，宜取4.5m～9m。門式剛架的合理間距應(yīng)綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m?？v向溫度區(qū)段小于300m，橫向溫度區(qū)段小于150m（當(dāng)有計(jì)算依據(jù)時(shí)，溫度區(qū)段可適當(dāng)放大）。

（2）檁條和墻梁的布置。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(jì)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。側(cè)墻墻梁的布置應(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。

（3）支撐和剛性系桿的布置。①在每個(gè)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(dú)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(shí)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(gè)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30m～45m，有吊車時(shí)不宜大于60m。④當(dāng)房屋高度較大時(shí)，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置；當(dāng)房屋寬度大于60m時(shí)，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(gè)開間時(shí)，在第一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，柱間支撐宜用型鋼；當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時(shí)，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。

3.2 剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算

（1）內(nèi)力計(jì)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(shí)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(jī)計(jì)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。

（2）側(cè)移計(jì)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(jì)算時(shí)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果最后驗(yàn)算時(shí)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(gè)別搖擺柱改為上端和梁剛接。

綜上所述，伴隨著我國各行各業(yè)的快速發(fā)展，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)得到越來越廣泛的應(yīng)用。相比較于鋼筋混凝土材料，輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢突出。在實(shí)際應(yīng)用該結(jié)構(gòu)時(shí)，需要嚴(yán)格遵循規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

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