淺談門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題

王雷

（南京工大膜工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇南京 210009）

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)具有自重輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，常見的門式剛架結(jié)構(gòu)在橫向是一榀剛架，縱向則是由剛性系桿及支撐系統(tǒng)形成的穩(wěn)定體系。門式剛架設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，但小知識(shí)點(diǎn)較多，且結(jié)構(gòu)體系需要配合很多構(gòu)造措施來(lái)，需要設(shè)計(jì)師具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)，故筆者結(jié)合自己的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)一些常見問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1 門式剛架規(guī)范的適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015），以下簡(jiǎn)稱《門剛規(guī)范》的適用范圍是一個(gè)在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中容易被忽視的問(wèn)題，一些設(shè)計(jì)人員常?？吹酱罂缍容p型屋面的鋼結(jié)構(gòu)，就默認(rèn)為是采用門式剛架結(jié)構(gòu)，這是很不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)??！堕T剛規(guī)范》第1.0.2條中對(duì)規(guī)范適用范圍做了明確規(guī)定，就筆者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，房屋高寬比及吊車起重量超出適用范圍的情況時(shí)有出現(xiàn)，應(yīng)結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及其他相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，支撐布置等一些構(gòu)造要求可參照《門剛規(guī)范》。

2 門式剛架鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度

門式剛架鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度直接關(guān)系到鋼梁構(gòu)件截面的選取，若計(jì)算長(zhǎng)度取值大，構(gòu)件截面選取較大，造成浪費(fèi)，若平面外計(jì)算長(zhǎng)度取值小，構(gòu)件截面選取較小，安全儲(chǔ)備不夠，有安全隱患，所以準(zhǔn)確把握鋼梁平面外的計(jì)算長(zhǎng)度顯得尤為重要。

根據(jù)《門剛規(guī)范》第7.1.6.2條，“實(shí)腹式剛架斜梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，應(yīng)取側(cè)向支承點(diǎn)的間距；當(dāng)斜梁兩翼緣側(cè)向支承點(diǎn)間的距離不等時(shí)，應(yīng)取最大受壓翼緣側(cè)向支承點(diǎn)的距離?！逼渲小皞?cè)向支承點(diǎn)間距”很多設(shè)計(jì)人員都默認(rèn)取為2倍的檁條間距，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｊ紫?，檁條鉸接于鋼梁的上翼緣，并不能直接作為鋼梁平面外的側(cè)向支承點(diǎn)，鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度與檁條間距并沒有直接的倍數(shù)關(guān)系；其次，當(dāng)檁條與鋼梁之間設(shè)置了隅撐，且隅撐的設(shè)置滿足了《門剛規(guī)范》第7.1.6.4條之要求時(shí)，“下翼緣受壓的屋面斜梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度可考慮隅撐作用”，此時(shí)僅是可以考慮隅撐的作用，規(guī)范并未說(shuō)此時(shí)可按隅撐間距定義鋼梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度，且只是“下翼緣受壓”的鋼梁區(qū)段。對(duì)于如何考慮隅撐的作用，《門剛規(guī)范》第7.1.6.7條有相關(guān)計(jì)算公式，另外，最新的PKPM-STS計(jì)算軟件中，在剛架二維計(jì)算定義鋼梁平面外計(jì)算長(zhǎng)度時(shí)，也有考慮隅撐作用的選項(xiàng)。

《門剛規(guī)范》第7.1.6條的條文說(shuō)明中也做了補(bǔ)充說(shuō)明，“屋面斜梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度取兩倍檁距，似乎已成了一個(gè)默認(rèn)的選項(xiàng)，有設(shè)計(jì)人員因此而認(rèn)為隅撐可以間隔布置，這是不對(duì)的。本條特別強(qiáng)調(diào)隅撐不能作為梁的固定側(cè)向支撐，不能充分地給梁提供側(cè)向支撐，而僅僅是彈性支座。根據(jù)理論分析，隅撐支撐的梁的計(jì)算長(zhǎng)度不小于2倍隅撐間距，梁下翼緣面積越大，則隅撐的支撐作用相對(duì)越弱，計(jì)算長(zhǎng)度就越大?！庇纱丝闯觯?guī)范希望設(shè)計(jì)人員對(duì)屋面鋼梁的平面外長(zhǎng)度的計(jì)算持謹(jǐn)慎態(tài)度，不可盲目減小，一定要有依據(jù)。綜上所述，筆者認(rèn)為以剛性系桿及遠(yuǎn)端的水平支撐形成的體系做為定義屋面鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度的依據(jù)是較為合適的。

3 門式剛架屋面雪荷載的確定

根據(jù)《門剛規(guī)范》4.3.1條，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk=μrS0，其中μr為屋面積雪分布系數(shù)，可按《門剛規(guī)范》表4.3.2采用；S0為基本雪壓，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009）（以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》）規(guī)定的100年重現(xiàn)期的雪壓采用。此公式與《荷載規(guī)范》7.1.1條中一致，對(duì)于門式剛架屋面基本雪壓按100年重現(xiàn)期采用也與《荷載規(guī)范》7.1.2中“對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓”所對(duì)應(yīng)。

《門剛規(guī)范》4.5.1條中規(guī)定，“屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，應(yīng)取兩者中的較大值；積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮”，實(shí)際設(shè)計(jì)中有設(shè)計(jì)人員僅簡(jiǎn)單對(duì)比屋面活荷載與雪荷載的數(shù)值大小，取兩者之間較大數(shù)值作為活荷載的取值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是不對(duì)的?！堕T剛規(guī)范》中“應(yīng)取兩者中的較大值”實(shí)際應(yīng)該理解為取活荷載和雪荷載兩種荷載組合效應(yīng)中最不利的一種情況。因?yàn)槭紫龋┖奢d還要考慮不利布置、漂移及堆積荷載等情況，可能會(huì)出現(xiàn)雖然雪荷載數(shù)值上小于活荷載，但實(shí)際產(chǎn)生的效應(yīng)比活荷載更不利的情況。其次，活荷載會(huì)和恒載、風(fēng)載組合，其最終產(chǎn)生的效應(yīng)也不一定是最不利的。所以實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該把相關(guān)互斥工況都考慮進(jìn)去，取最不利的效應(yīng)。

近幾年雪災(zāi)調(diào)查表明，雪荷載的堆積是造成門式剛架屋面破壞的主要原因，故《門剛規(guī)范》相較上一版《門剛規(guī)程》，在雪荷載的計(jì)算部分增加了門式剛架屋面應(yīng)考慮雪堆積和漂移的情況，具體在《門剛規(guī)范》4.3.3條有相關(guān)要求。對(duì)于屋面雪荷載的堆積和漂移，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩種情況容易忽視或算錯(cuò)：①門式剛架在縱向端部有更高的貼建建筑，例如是兩種結(jié)構(gòu)形式需要設(shè)置抗震縫等，此時(shí)應(yīng)考慮縱向方向的漂移和堆積雪荷載；②門式剛架有突出屋面的天窗架，此時(shí)天窗架的四周都可能會(huì)產(chǎn)生漂移、堆積雪荷載。

4 檁條設(shè)計(jì)

檁條的設(shè)計(jì)常常容易造成輕視，一些設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中僅是簡(jiǎn)單用小軟件計(jì)算一下，甚至沒有仔細(xì)核對(duì)計(jì)算書。檁條設(shè)計(jì)中涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，一些參數(shù)、荷載及構(gòu)造的錯(cuò)取，都會(huì)使得構(gòu)件截面選取的結(jié)果相差很大，且檁條為屋面板的直接承重構(gòu)件，故應(yīng)引起重視。

檁條宜采用實(shí)腹式構(gòu)件，也可采用桁架式構(gòu)件；跨度大于9m的簡(jiǎn)支檁條宜采用桁架式構(gòu)件。實(shí)腹式檁條宜采用直卷邊槽形和斜卷邊Z形冷彎薄壁型鋼，斜卷邊角度宜為60°，也可采用直卷邊Z形冷彎薄壁型鋼或高頻焊接H型鋼。實(shí)腹式檁條可設(shè)計(jì)成單跨簡(jiǎn)支構(gòu)件也可設(shè)計(jì)成連續(xù)構(gòu)件，連續(xù)構(gòu)件可采用嵌套搭接方式組成，連續(xù)檁條的搭接長(zhǎng)度2a不宜小于10%的檁條跨度。H型檁條承載能力相對(duì)較高，但C型與Z型檁條在加工、安裝及運(yùn)輸便攜性上更具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)屋面有吊掛荷載時(shí)，吊掛在屋面上的普通集中荷載宜通過(guò)螺栓或自攻釘直接作用在檁條的腹板上，也可在檁條之間加設(shè)冷彎薄壁型鋼作為扁擔(dān)支承吊掛荷載，冷彎薄壁型鋼扁擔(dān)與檁條間的連接宜采用螺栓或自攻釘連接。對(duì)于屋面板是否能阻止檁條上翼緣側(cè)向失穩(wěn)，對(duì)檁條截面選取有一定影響，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一定要與建筑圖中的板材形式核實(shí)無(wú)誤，避免造成設(shè)計(jì)安全隱患。根據(jù)《門剛規(guī)范》第11.1.6條，當(dāng)采用直立縫鎖邊連接或扣合式連接時(shí)，屋面板不應(yīng)作為檁條的側(cè)向支撐；當(dāng)屋面板采用螺釘連接時(shí)，屋面板可作為檁條的側(cè)向支撐。檁條計(jì)算雪荷載時(shí)，應(yīng)考慮積雪不均勻分布的最不利情況。檁條計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，屋面坡度形式、建筑形式、檁條所處的分區(qū)（中間區(qū)、邊區(qū)、角部）等都應(yīng)準(zhǔn)確考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則其涉及的知識(shí)面較多，往往這種輕視造成設(shè)計(jì)中埋下或大或小的安全隱患。筆者在審核圖中的過(guò)程中甚至發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)體系的理解都不是很清晰，比如不理解到底什么是“剛架”；“橫向”、“縱向”的概念；門式剛架的橫向或縱向甚至有多余自由度等等，這些都需要設(shè)計(jì)人員有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，由于甲方的要求或者是工藝、建筑等專業(yè)的要求，門式剛架結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)有毗鄰剛架、有夾層、有天窗屋架、屋面有較大吊掛荷載、縱向抽住等等情況，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范有全面的理解，方能設(shè)計(jì)出安全、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)圖紙。