門式剛架圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

李鵬銳

摘要：門式剛架因其經(jīng)濟(jì)優(yōu)、建造快、性能好等特點(diǎn)，是目前工業(yè)廠房的主要結(jié)構(gòu)形式，廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)是其重要組成部分，本文通過對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載選用、拉條布置、設(shè)計(jì)重要參數(shù)等探討，總結(jié)和梳理了在設(shè)計(jì)過程中容易混淆和遺漏的問題，供鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考，防止設(shè)計(jì)中的安全隱患或用材浪費(fèi)。

Abstract： Due to the characteristics of excellent economy， fast construction and good performance， the portal frame is the main structural form of the industrial plant at present. The enclosure structure of the plant is an important part of it. This article summarizes and sorts out the problems that are easily confused and omitted in the design process by discussing the load selection， brace layout， and important design parameters in the design of the envelope structure for the reference of steel structure designers， to prevent hidden safety hazards or waste of materials in the design.

關(guān)鍵詞：門式剛架;圍護(hù)結(jié)構(gòu);檁條;拉條

Key words： portal frame;enclosure structure;purlin;brace

中圖分類號(hào)：TU328 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）19-0135-02

0 ?引言

門式剛架輕型房屋（簡(jiǎn)稱門式剛架）圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常由壓型鋼板制成的檁條、外墻板和屋面板等所組成，檁條通常采用簡(jiǎn)支C、Z形卷邊冷彎薄壁型鋼材，用鋼量少，對(duì)荷載非常敏感。如果在設(shè)計(jì)中不清楚檁條的受力特點(diǎn)和構(gòu)造規(guī)定，過度依賴軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)一些基本假設(shè)概念模糊，荷載統(tǒng)計(jì)及荷載組合不準(zhǔn)確，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)存在一定安全隱患或鋼材用量過大。

1 ?荷載

檁條承受的荷載有：恒載，活荷載，雪荷載，積灰荷載，風(fēng)荷載等。其中恒載通常不超過0.3kN/m2，活載為0.5kN/m2，積灰荷載按實(shí)際情況計(jì)算，施工荷載為1kN且作用于檁條中部。檁條設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載與雪荷載多為控制荷載，需著重注意。風(fēng)、雪荷載經(jīng)常是控制荷載，極端情況下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞，后果特別嚴(yán)重，所以應(yīng)對(duì)風(fēng)、雪荷載適當(dāng)提高。

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）中規(guī)定房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，可按照門式剛架規(guī)定的風(fēng)荷載取值，超過門式剛架規(guī)定范圍則需按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009取值。同時(shí)《門剛規(guī)范》條文說明中明確了“房屋高度超過18m的類似建筑，構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性可參照本規(guī)范”，所以在進(jìn)行門式剛架設(shè)計(jì)時(shí)，除去風(fēng)荷載取值，其他要求仍然可以按照《門剛規(guī)范》來考慮和控制。

《門剛規(guī)范》要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載應(yīng)乘以1.5系數(shù)，與之前的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102-98）區(qū)別較大，由于輕鋼結(jié)構(gòu)為風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，將基本風(fēng)壓適當(dāng)提高，而且荷載規(guī)范中的陣風(fēng)系數(shù)相對(duì)應(yīng)。

由于輕鋼結(jié)構(gòu)雪荷載敏感，雪荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009規(guī)定的100年重現(xiàn)期的雪壓取值，而檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用，最不利情況下，雪荷載通常大于活荷載，而雪荷載與活荷載互斥，荷載組合時(shí)可直接取雪荷載。女兒墻及高低跨處容易造成雪堆積，局部堆積雪荷載可能是均布載的3倍以上，設(shè)計(jì)中如若忽視會(huì)造成安全隱患，積雪處檁條可能會(huì)失穩(wěn)破壞甚至牽連主結(jié)構(gòu)造成房屋整體破壞。（圖1）

通過實(shí)際計(jì)算比較，由于門式剛架輕型房屋自重很輕（通常40～60kg/m2），地震影響很小，一般情況下均可忽略。

一般情況下檁條強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算采用下面兩種工況組合：①（1.3×永久荷載+1.5×max{屋面均布活荷載，雪荷載}+1.5×0.6風(fēng)載（壓力）;②1.0×永久荷載+1.5×風(fēng)荷載（吸力）。檁條設(shè)計(jì)一般由強(qiáng)度或穩(wěn)定控制，撓度要求一般均可滿足。

因屋面、墻面邊緣帶風(fēng)荷載、雪荷載系數(shù)局部偏大，為提高屋面承載力及穩(wěn)定性能，可相對(duì)減小屋面、墻面邊緣帶的檁條布置間距，盡量減少屋面板、墻面板的接縫，不宜采用暗扣式的連接，而應(yīng)采用自攻螺釘以保證檁條整體及側(cè)向穩(wěn)定性。這樣可以加強(qiáng)屋面板和屋面檁條、墻面板和墻面檁條的連接強(qiáng)度，從而增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能。由于屋面角區(qū)邊區(qū)和中間區(qū)風(fēng)荷載系數(shù)不同，角區(qū)風(fēng)荷載系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)分區(qū)計(jì)算。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用時(shí)，穩(wěn)定控制時(shí)選用235鋼，應(yīng)力控制時(shí)選用355鋼，一般拉條選235鋼。

2 ?拉條布置

門式剛架通常采用冷彎薄壁C、Z型鋼作為檁條，此類檁條重心較高、弱軸抗彎能力較差，為了減少檁條在安裝及使用過程中的側(cè)向變形及扭轉(zhuǎn)，保證檁條整體穩(wěn)定，一般設(shè)置拉條、斜拉條以及撐桿體系確保整個(gè)結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性，撐桿必須與斜拉條同時(shí)設(shè)置，才能形成一個(gè)幾何不變的傳力體系。如果沒有合理設(shè)置拉條、斜拉條以及撐桿體系，或者拉條施工中沒有拉緊，這會(huì)使門式剛架的側(cè)向剛度、穩(wěn)定性與承載力無法得到保障，存在一定工程隱患。

設(shè)置拉條是保證檁條穩(wěn)定的重要措施，當(dāng)圍護(hù)板不能有效約束擦條的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)設(shè)詈拉條為檁條提供側(cè)向支撐，以提高檁條的穩(wěn)定性。重力荷載和風(fēng)揭力荷載為兩個(gè)相反方向的作用，檁條的上下翼緣都可能會(huì)受壓存在失穩(wěn)可能，所以屋面位置一般需要考慮設(shè)置上、下兩層拉條體系。如果屋面板由自攻釘穿透直接固定于檁條，此時(shí)屋面板直接約束檁條的側(cè)移，可以替代上層拉條體系，理論上可不設(shè)置上層拉條。但在施工安裝屋面板時(shí)，尚無蒙皮效應(yīng)，檁條容易發(fā)生傾覆，故仍需設(shè)置上層拉條。如果在檁條下翼緣連接有內(nèi)襯板，并采用自攻釘直接固定方式，內(nèi)襯板足以約束下冀緣的側(cè)移，此時(shí)可不必設(shè)置下層拉條體系，但這種情況工程較少見。尤其雪荷載較大時(shí)檁條上下翼緣更是應(yīng)設(shè)置雙拉條以保證整體穩(wěn)定性。屋面檁條是門式剛架穩(wěn)定性第一道防線且受荷敏感，筆者建議屋面處檁條上下翼緣均設(shè)置拉條。

工程中也可用冷彎卷邊形在端部切除部分冀緣，再彎折腹板作為剛性系桿。施工時(shí)用螺栓或自攻釘連接在相鄰檁條的腹板上構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)休系，替代雙層拉條功能，使相鄰檁條相互約束不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。但這種做法對(duì)加工及安裝精度有一定要求。

輕型鋼結(jié)構(gòu)墻面板一般自承重，墻檁只承受自身重量和風(fēng)荷載，只有門窗以上局部區(qū)域的墻面板自重荷載由墻檁承受，所以窗頂處檁條一般設(shè)置為雙扣檁條。因窗戶玻璃較重，一般可在窗戶底設(shè)斜拉條及撐桿，局部組成桁架體系將荷載傳至相鄰剛架柱。墻面板用自攻螺釘與檁條牢固連接，認(rèn)為墻面板能有效約束檁條外翼緣，阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，可不對(duì)檁條進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。墻檁承受的荷載與其布置有關(guān)。墻面板自承重且可約束墻檁外翼緣，所以墻檁外翼緣可不設(shè)置拉條;在風(fēng)吸力作用下，墻檁外翼緣受壓易失穩(wěn)且一般無內(nèi)墻板約束，拉條可僅設(shè)置于檁條內(nèi)側(cè)1/3檁高。

如果屋面板采用壓型鋼板，且采用自攻螺釘與檁條牢固連接，則認(rèn)為屋面板能有效約束檁條受壓翼緣，阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)，可不對(duì)檁條進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。如果屋面板采用鎖扣型式與檁條連接，則屋面板不能約束檁條翼緣，要對(duì)檁條進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)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。

3 ?設(shè)計(jì)重要參數(shù)

屋面板能否阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)：屋面板壓型鋼板采用自攻螺釘與檁條牢固連接，可認(rèn)為屋面板能否阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)，此種方法較常用，如若施工時(shí)采用直立縫鎖邊連接或扣合式連接，而施工圖紙中未有特別注明必須采用自攻螺釘連接，此時(shí)屋面板不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)，檁條上翼緣受壓會(huì)失穩(wěn)，工程將會(huì)存在重大安全隱患。

構(gòu)造保證下翼緣吸力作用穩(wěn)定性：只有屋面采用雙層壓型鋼板，且下層鋼板采用自攻螺釘與檁條牢固連接時(shí)才能滿足此項(xiàng)構(gòu)造要求。下翼緣設(shè)置的拉條，僅3m左右才一道，難以與滿鋪的鋼板剛度要求相當(dāng)，下翼緣設(shè)置的拉條無法達(dá)到此項(xiàng)構(gòu)造要求。所以，構(gòu)造保證下翼緣吸力作用穩(wěn)定性此參數(shù)要慎選。

墻面參數(shù)選用可參照屋面上述兩項(xiàng)參數(shù)的論述。

因檁條安裝需打孔，凈截面減少，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)取凈截面系數(shù)0.9～0.95，此系數(shù)軟件默認(rèn)為1，需在設(shè)計(jì)中稍加注意。

4 ?結(jié)語

本文從輕型門式剛架的荷載選用、拉條布置和設(shè)計(jì)重要參數(shù)三方面總結(jié)和梳理了設(shè)計(jì)過程中需要注意的各種問題，對(duì)容易造成結(jié)構(gòu)安全隱患的問題給出了合理的建議，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

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