門式輕鋼房結(jié)構(gòu)用鋼量控制與分析

(1.山西建筑工程集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)院，山西 太原 030002；2.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

門式剛架輕型房屋作為一種常見的結(jié)構(gòu)形式，越來越受到人們的青睞，是輕型工業(yè)與民用加工企業(yè)的首選。隨著建筑材料的不斷更新?lián)Q代，新型外墻板材在輕鋼結(jié)構(gòu)中得以推廣應(yīng)用，一些體育館、展覽廳、會議廳、食堂等大空間的建筑也選擇用輕型門式剛架來建造，在充分發(fā)揮設(shè)計(jì)簡單、施工快、造價低的優(yōu)勢上，又體現(xiàn)出美觀大方、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，在滿足規(guī)范要求和質(zhì)量安全的前提下，如何減少用鋼量是成本控制的首要問題。本文結(jié)合門式剛架輕鋼廠房工程來分析結(jié)構(gòu)用鋼量的控制措施。

1 主體結(jié)構(gòu)用鋼量分析

1.1 高度和跨度的影響

GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱“《門剛規(guī)范》”)提出了適用范圍，規(guī)定單層輕鋼房屋高度≯18 m，房屋高寬比<1，一般的門式輕鋼結(jié)構(gòu)都能滿足該要求，在滿足建筑使用要求的前提下，房屋高度越低則用鋼量越少，因此設(shè)計(jì)時應(yīng)選擇合理的房屋高度。柱子高度的主要影響因素是吊車的起吊高度，設(shè)計(jì)時應(yīng)嚴(yán)格按照吊車樣本數(shù)據(jù)計(jì)算柱子的牛腿標(biāo)高和上柱高度，把房屋檐口總高度值控制在最小范圍內(nèi)。

跨度對鋼梁的影響較大。一般認(rèn)為無吊車廠房的經(jīng)濟(jì)跨度為18～36 m，有吊車廠房的經(jīng)濟(jì)跨度為24～36 m。設(shè)計(jì)時，無論房屋內(nèi)有無吊車，跨度為30 m左右最為經(jīng)濟(jì)，跨度>36 m時建議增設(shè)中柱。此外，多跨連續(xù)的廠房對鋼柱用鋼量的影響較大，等高等跨時最為經(jīng)濟(jì)。若房屋跨度不相等且相差較大時，結(jié)構(gòu)總用鋼量就會增加。因?yàn)椴煌缃唤犹幑灿玫匿撝前凑沾罂缍葋碛?jì)算的，小跨度的柱子則會偏大。此類問題最好的處理辦法是將跨度小的剛架布置在整體房屋的最外側(cè)，條件允許的情況下應(yīng)降低其檐口高度，形成高度跨結(jié)構(gòu)，以減小小跨度房屋的柱子截面尺寸。

1.2 柱距和屋面坡度的影響

柱距對鋼柱的截面尺寸影響不大，但當(dāng)柱距過小時則會增加剛架的數(shù)量，柱距太大時則會影響鋼梁的截面尺寸，會增加檁條和墻梁的用鋼量。經(jīng)過多個工程的對比及相關(guān)文獻(xiàn)參考可知，7.5 m的柱距最為經(jīng)濟(jì)合理。

屋面坡度對鋼梁影響較大，對鋼柱影響較小。一般來說，坡度越大對鋼梁截面尺寸控制越有利?！堕T剛規(guī)范》規(guī)定，屋面坡度宜取1/8～1/20，為了方便計(jì)算，設(shè)計(jì)時通常取1/10，并根據(jù)鋼梁受力分析彎矩圖，結(jié)合抗風(fēng)柱間距劃分為若干段，一般單坡為15 m可以分兩段。鋼梁采用變截面梁以節(jié)省材料，檐口和屋脊處截面大，中間截面小。梁高可按計(jì)算確定，梁寬≯200 mm，以高厚比、寬厚比控制為主。

1.3 荷載及計(jì)算參數(shù)的影響

屋面恒、活荷載的大小及布置較為簡單，其中風(fēng)荷載、雪荷載和吊車荷載的影響較大。風(fēng)荷載輸入時，基本風(fēng)壓調(diào)整系數(shù)為1.1。雪荷載按100年重現(xiàn)期確定，計(jì)算軟件自動識別不上人屋面活荷載和雪荷載，取大值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前應(yīng)核實(shí)各參數(shù)是否正確，檢查構(gòu)件上面的荷載布置是否正常。此外，墻面自重、屋面排風(fēng)、采光設(shè)備、天溝排水系統(tǒng)、觀光檢修設(shè)施、女兒墻的風(fēng)荷載等不可忽略。

吊車荷載是結(jié)構(gòu)效應(yīng)的主要部分，設(shè)計(jì)前應(yīng)按照吊車樣本確定好吊車的吊高、跨度、小車高度、活動范圍等參數(shù)。選用計(jì)算軟件自帶的吊車數(shù)據(jù)庫時，應(yīng)核實(shí)最大輪壓、小車重量及吊車輪距等數(shù)據(jù)與樣本是否一致，不一致時應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。剛架柱頂位移限值當(dāng)?shù)踯囉神{駛室時為1/400，吊車由地面超控時為1/180，該指標(biāo)對鋼柱的截面尺寸影響較大，設(shè)計(jì)前應(yīng)和項(xiàng)目參與的多方單位及人員確定好吊車的使用情況，由地面超控時可節(jié)省鋼柱的用鋼量。此外，計(jì)算時應(yīng)按照荷載規(guī)范要求對多臺吊車作用進(jìn)行折減，以減小柱子截面。當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓枯^大時，鋼柱可在牛腿處采用變截面，以減小上柱的截面；不設(shè)吊車的輕鋼房屋，鋼柱可以采用上大下小的楔形截面。

1.4 構(gòu)件長細(xì)比的影響

《門剛規(guī)范》規(guī)定柱的長細(xì)比限制為180，地震作用起控制作用時，柱長細(xì)比限制為150。柱平面外計(jì)算長度可輸入鋼柱側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離，側(cè)向支撐必須能夠限制鋼柱的側(cè)向變形。鋼柱高度為7～9 m時，建議加大鋼柱翼緣寬度，有吊車時下柱高度>9 m時，可以布置側(cè)向剛性系桿以減小柱子平面外計(jì)算長度。側(cè)向剛性系桿可水平設(shè)置與柱同寬的雙肢角鋼桁架，角鋼肢與柱翼緣板焊接，中間用綴條連接。另外，《門剛規(guī)范》規(guī)定抗風(fēng)柱的平面外計(jì)算長度可取兩倍墻面隅撐的間距，隅撐間距一般取3 m，既抗風(fēng)柱平面外計(jì)算長度≯6 m，可大大降低抗風(fēng)柱的用鋼量。

鋼梁平面外計(jì)算長度取屋面水平支撐寬度，寬度不均勻時取大值。屋面水平支撐的間距應(yīng)根據(jù)坡面跨度，再結(jié)合抗風(fēng)柱間距和鋼梁變截面處轉(zhuǎn)折點(diǎn)來確定。

2 支撐系統(tǒng)及圍護(hù)系統(tǒng)用鋼量分析

2.1 支撐系統(tǒng)用鋼量分析

柱間支撐設(shè)計(jì)的3個步驟：首先是柱間支撐的布置，《門剛規(guī)范》和相關(guān)抗震規(guī)范均有明確規(guī)定，建議執(zhí)行《門剛規(guī)范》并從嚴(yán)控制；其次是柱間支撐的長細(xì)比控制，對于X型交叉支撐，《門剛規(guī)范》和相關(guān)抗震規(guī)范均明確規(guī)定可按拉桿設(shè)計(jì)，建議位于8、9度抗震設(shè)防區(qū)的輕鋼房屋且設(shè)有15 t以上的中級吊車時，柱間支撐應(yīng)按照一壓一拉桿計(jì)算，其他情況可按照拉桿計(jì)算；最后是柱間支撐的計(jì)算問題，建議取房屋縱向排架，利用計(jì)算機(jī)整體計(jì)算，屋面水平支撐的截面尺寸可參考標(biāo)準(zhǔn)圖集確定。

2.2 圍護(hù)系統(tǒng)用鋼量分析

影響檁條截面尺寸的因素有屋面荷載、檁條跨度以及檁條的安裝工藝。檁條截面尺寸計(jì)算時，屋面活荷載取0.5 kN/m2，施工及檢修荷載為1.0 kN布置在跨中，基本雪荷載按100年重現(xiàn)期確定，基本風(fēng)壓的調(diào)整系數(shù)為1.5。檁條安裝工藝直接影響著檁條穩(wěn)定性計(jì)算，當(dāng)屋面板能夠阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)、檁條受壓翼緣下有內(nèi)襯板約束且能防止檁條截面扭轉(zhuǎn)時，可不計(jì)算檁條的整體穩(wěn)定，從而減少檁條的用鋼量。屋面板能夠阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)的做法是：屋面板采用自攻螺釘與檁條固定，檁條受壓翼緣下有內(nèi)襯板的做法是把夾芯板分開，把下層鐵皮安裝在檁條下翼緣。設(shè)計(jì)時截面尺寸計(jì)算所采用的限定條件應(yīng)與屋面板施工工藝相一致，不可貿(mào)然采用。墻梁截面尺寸的控制點(diǎn)與檁條基本一致。

3 其他用鋼量分析

3.1 其他構(gòu)件用鋼量分析

排水天溝系統(tǒng)和吊車梁系統(tǒng)也是輕鋼房屋用鋼量的組成部分。排水天溝一般采用鍍鋅鐵皮或不銹鋼制作，厚度一般控制在2.0 mm以下，設(shè)有虹吸排水時可取2.5 mm，懸掛龍骨采用2.5 mm壁厚的矩形管；吊車梁應(yīng)按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過計(jì)算確定其截面大小，具體做法是：按照起重量大小劃分生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域，在不同區(qū)域設(shè)計(jì)不同截面的吊車梁。吊車梁的制作規(guī)格可參考標(biāo)準(zhǔn)圖集。

3.2 材料強(qiáng)度的影響

主體鋼結(jié)構(gòu)及吊車梁等承重構(gòu)件，一般采用Q345B鋼計(jì)算，板件厚度控制在16 mm以內(nèi)；支撐系統(tǒng)及圍護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)件，一般采用Q235B鋼計(jì)算，必要時可以采用Q345B鋼。

4 結(jié)語

按照以上方法設(shè)計(jì)的輕鋼房屋，其總用鋼量是較為理想的。以8度抗震設(shè)防區(qū)，設(shè)置有20 t吊車的輕鋼房屋為例，采用上述設(shè)計(jì)后，主體結(jié)構(gòu)的用鋼量一般≯25 kg/m2，約為總用鋼量的一半；支撐系統(tǒng)用鋼量約為8 kg/m2，圍護(hù)系統(tǒng)用鋼量約為8～10 kg/m2；排水天溝和吊車梁系統(tǒng)的用鋼量約為10 kg/m2左右?？傊p鋼房屋設(shè)計(jì)的用鋼量應(yīng)在主要方向上把握好，在各設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上下功夫，必將能夠達(dá)到鋼材節(jié)約的效果。