門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋合理設(shè)計(jì)的探討

蘆珍明

(山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

門式剛架輕型房屋是采用變截面或等截面實(shí)腹剛架為承重結(jié)構(gòu)，采用輕型鋼屋面和輕型外墻為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單層鋼結(jié)構(gòu)房屋(見圖1)。具有重量輕、受力簡(jiǎn)單、傳力路徑明確，便于工廠化加工，施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等工業(yè)與民用建筑中。

現(xiàn)就門式剛架輕型房屋設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

1 材質(zhì)的選用

1)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)一般采用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)以強(qiáng)度控制為主的受力構(gòu)件，可采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼分為A，B，C，D，E五個(gè)質(zhì)量等級(jí)，由A到D其質(zhì)量由低到高。而門式剛架所用的鋼材板件大多為板件較薄，所以構(gòu)件穩(wěn)定性和變形常起控制作用，應(yīng)選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼較為合理。碳素結(jié)構(gòu)鋼分為A，B，C，D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。但隨含碳量的增加，鋼材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，其塑性、冷彎性能和沖擊韌性均降低，焊接性能也變差。所以在選取鋼材牌號(hào)和材性時(shí)，要結(jié)合構(gòu)件的重要性、荷載特征、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法及工作環(huán)境等因素綜合考慮，在保證承重結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí)，還要注意含碳量及硫、磷的含量，防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

2)主剛架、吊車梁和焊接的檁條、墻梁等構(gòu)件宜采用Q235B或Q345A及以上等級(jí)的鋼材，非焊接和墻梁等構(gòu)件可采用Q235A級(jí)鋼材。

2 結(jié)構(gòu)方案的布置

2.1 剛架方向的確定

剛架方向的布置應(yīng)遵循長(zhǎng)度大于寬度的原則。面積較大的廠房還應(yīng)考慮溫度區(qū)段的控制?？v向溫度區(qū)段不宜大于300 m，橫向溫度區(qū)段不宜大于150 m。布置剛架時(shí)，縱橫向尺寸不宜超過以上限制，當(dāng)超過以上值時(shí)，可設(shè)縫斷開或采取釋放溫度應(yīng)力的措施，否則應(yīng)考慮溫度效應(yīng)的影響。

2.2 跨度的確定

門式剛架可設(shè)單跨或多跨布置，廠房跨度太大或者太小都不經(jīng)濟(jì)，其跨度宜為12 m～48 m。單跨剛架使用于橫向空間不大的建筑，多跨剛架對(duì)房屋的寬度尺寸沒有限制。但當(dāng)寬度超過150 m時(shí)，應(yīng)設(shè)縫斷開。多跨剛架由于使用連續(xù)剛架，因此較為經(jīng)濟(jì)，但多跨剛架對(duì)地基的不均勻沉降較敏感，在沉降較大的軟土地基時(shí)，應(yīng)詳細(xì)考察基礎(chǔ)的沉降情況，慎重使用。

2.3 柱距的選取

在布置剛架的柱距時(shí)，盡量采用等間距布置。剛架柱距宜為6 m，7.5 m，9 m。豎向荷載是影響柱距的主要因素，如屋面荷載、吊頂荷載、吊車荷載等。當(dāng)荷載較大時(shí)選小柱距，荷載較小時(shí)選大柱距。如有需要采用不等間距時(shí)，應(yīng)盡量將端跨布置的比中間跨小。因?yàn)槎丝绲娘L(fēng)荷載比中間跨大。另外在選用連續(xù)檁條時(shí)，端跨的撓度及跨中彎矩均大于中間跨，所以較小的端跨也能使屋面檁條和墻面檁條的截面減小。

3 剛架截面的選取

1)根據(jù)跨度、高度和荷載的不同，門式剛架梁、柱可采用變截面或等截面的軋制H形截面或?qū)嵏购附庸ぷ中谓孛?。?dāng)有橋式吊車時(shí)，柱宜采用等截面柱。如想更經(jīng)濟(jì)，可以將牛腿以下直接承受吊車荷載的部分用大截面，牛腿以上連接屋面的部分用小截面。

2)如從節(jié)約和剛架受力彎矩圖的角度考慮，應(yīng)充分利用截面特性，盡量使截面隨彎矩圖和剪力圖的變化而調(diào)整，采用楔形變截面更合理。

4 支撐的布置

4.1 屋面橫向水平支撐及柱間支撐

1)在每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的支撐系統(tǒng)，使其能夠獨(dú)立抵抗水平力。設(shè)置柱間支撐的開間應(yīng)同時(shí)設(shè)置屋面橫向水平支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。端部的支撐宜設(shè)置在端部第一或第二開間，如端部支撐設(shè)在第二開間時(shí)，應(yīng)在第一開間抗風(fēng)柱頂部對(duì)應(yīng)的位置設(shè)剛性系桿。

2)柱間支撐應(yīng)設(shè)置在側(cè)墻，當(dāng)房屋寬度大于60 m時(shí)，在內(nèi)柱列宜設(shè)置柱間支撐。當(dāng)無吊車時(shí)，柱間支撐間距宜取30 m～45 m，端部柱間支撐宜設(shè)置在房屋端部第一或第二開間。當(dāng)有吊車時(shí)，每個(gè)吊車跨兩側(cè)柱列均應(yīng)設(shè)置柱間支撐。

3)當(dāng)房屋高度大于柱間距2倍或9 m時(shí)，柱間支撐宜分兩層設(shè)置。有高低跨時(shí)，需要在高低寬處分層設(shè)置。有吊車時(shí)需要在吊車梁處分層設(shè)置，端部只能設(shè)置上柱支撐不能設(shè)置下部支撐(見圖2)，否則由于溫度變形會(huì)使廠房縱向變形無法釋放，吊車梁變形過大，造成卡軌。吊車梁下部支撐應(yīng)選用型鋼交叉支撐設(shè)置，宜在溫度區(qū)段中部，當(dāng)較長(zhǎng)時(shí)，宜設(shè)置在三分點(diǎn)，且不應(yīng)大于50 m。上、下層柱間支撐間的系桿必須設(shè)置，且應(yīng)按剛性系桿考慮。支撐的上端與水平壓桿及剛架柱中心必須匯交于一點(diǎn)，避免形成偏心受力。

圖2 設(shè)吊車的柱間支撐布置圖

4)在同一建筑中，最好采用同類型的柱間支撐，如因使用功能要求(柱見支撐部位有門、窗以及設(shè)備時(shí))，可采用剛架支撐或桁架支撐來代替。

4.2 屋面縱向水平支撐

輕型門式剛架沿寬度方向的橫向穩(wěn)定性，是通過剛架自身剛度來抵抗所承受的橫向風(fēng)荷載、橫向地震作用以及橫向吊車剎車力。而在長(zhǎng)度方向的縱向剛度較弱，如有帶駕駛室且吊車梁噸位大于15 t等情況，需要沿著門剛縱向設(shè)置縱向水平支撐來抵抗縱向風(fēng)荷載、縱向地震作用以及縱向剎車力，從而保證廠房的縱向穩(wěn)定性。

5 剛架的抗震設(shè)計(jì)

1)單層門式剛架輕型房屋荷載較小，即等效質(zhì)量小，所以在抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)及以下地區(qū)地震作用下，能滿足風(fēng)荷載驗(yàn)算的都能滿足地震作用的驗(yàn)算。但是在7度(0.15g)及以上的高烈度地區(qū)的地震作用會(huì)比較大，在風(fēng)荷載小的地方，雖然滿足風(fēng)荷載驗(yàn)算，但不一定能滿足地震作用的驗(yàn)算。因此，在7度(0.15g)及以上的地區(qū)時(shí)，縱、橫向剛架均需進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

2)對(duì)質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可將平面不規(guī)則的廠房通過設(shè)縫劃分成若干個(gè)規(guī)則的部分，這樣每個(gè)部分就不用按計(jì)入扭轉(zhuǎn)影響的雙向地震作用考慮了，可以只考慮單向地震作用。

6 剛架計(jì)算需控制的主要參數(shù)

剛架梁、柱均為壓彎構(gòu)件，壓彎構(gòu)件截面承載力驗(yàn)算包括強(qiáng)度驗(yàn)算和平面內(nèi)穩(wěn)定、平面外穩(wěn)定、局部穩(wěn)定驗(yàn)算。

6.1 強(qiáng)度

在荷載和相關(guān)參數(shù)正確選取時(shí)，剛架構(gòu)件的應(yīng)力比可以為0.99。如果抗彎強(qiáng)度不滿足，可以通過加大腹板截面高度來調(diào)整;如果是抗剪強(qiáng)度不滿足，可以通過增加腹板厚度來調(diào)整。

6.2 平面內(nèi)穩(wěn)定

平面內(nèi)穩(wěn)定主要由梁高控制，增加梁高或增大翼緣厚度可以有效地增加平面內(nèi)慣性矩，從而提高構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定性。

6.3 平面外穩(wěn)定

平面外穩(wěn)定主要由構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比控制，又分為受壓構(gòu)件和受拉構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比。長(zhǎng)細(xì)比=平面外計(jì)算長(zhǎng)度/截面的回轉(zhuǎn)半徑，可見減小平面外計(jì)算長(zhǎng)度和增加截面的回轉(zhuǎn)半徑均可減小構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比。平面外計(jì)算長(zhǎng)度為側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離，在設(shè)計(jì)中可通過設(shè)置隅撐減小側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離，滿足長(zhǎng)細(xì)比的要求。

6.4 局部穩(wěn)定

由板件的寬厚比或高厚比控制。當(dāng)構(gòu)件承受集中荷載或局部承載時(shí)，應(yīng)在相應(yīng)部位設(shè)置合理的加勁肋，由加勁肋保證構(gòu)件的局部穩(wěn)定性。

6.5 剛架柱頂位移

剛架的柱頂位移應(yīng)滿足相應(yīng)的荷載所對(duì)應(yīng)的柱頂位移限制，如不滿足應(yīng)增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度來調(diào)整。

6.6 剛架梁的撓度

剛架梁的豎向撓度的控制應(yīng)采用恒載和活載共同作用下，撓度不應(yīng)太大，尤其是帶吊車的廠房，撓度值要求更嚴(yán)，為L(zhǎng)/400，否則會(huì)影響使用功能。如果撓度不滿足可以通過增加剛架梁的高度來調(diào)整。

6.7 屋面坡度改變值

屋面坡度改變限值為坡度設(shè)計(jì)值的1/3，控制屋面坡度改變值是為了使屋面板的變形小，防止屋面漏水，影響使用壽命。

7 構(gòu)件的防護(hù)設(shè)計(jì)

1)鋼結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是易銹蝕，耐火性差。銹蝕是不可避免的，但是可以通過采取措施控制。鋼材的傳熱系數(shù)大，強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低，發(fā)生火災(zāi)的鋼結(jié)構(gòu)在高溫作用下，如無防火設(shè)施，耐火時(shí)間僅15 min～20 min，會(huì)很快失效倒塌。所以鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

2)首先對(duì)鋼構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行除銹，并涂防火底漆，注意防火涂料應(yīng)與底漆相容，能良好的結(jié)合。鋼結(jié)構(gòu)的防火可以采用防火涂料，對(duì)于直接承受震動(dòng)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)采用防火厚型涂料。

綜上所述，在門式剛架輕型房屋設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)荷載特征，使用環(huán)境等選用適宜的材質(zhì)，確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案，選取合適的截面進(jìn)行剛架受力分析，控制好相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置合理的支撐系統(tǒng)并采取防銹和耐火措施，確保設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、美觀適用的門式剛架。