關(guān)于單層門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的思考

張 銳

（中國輕工業(yè)成都設(shè)計(jì)工程有限公司，四川成都，610015）

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中越來越多地采用單層門式剛架結(jié)構(gòu)，單層門式剛架結(jié)構(gòu)具有機(jī)械化程度高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、滿足廠房建設(shè)實(shí)際需求等特點(diǎn)，因而得到了較為廣泛的推廣以及應(yīng)用。本文結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)踐中單層門式剛架結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及在工程實(shí)踐中所遇到的問題，在經(jīng)過不斷總結(jié)的基礎(chǔ)上，探討了在進(jìn)行單層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)該注意的問題，所提出的解決方案以期能為單層門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定參考。

1 單層門式剛架結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件設(shè)計(jì)思考

1.1 剛架尺寸及布置

結(jié)合單層門式剛架跨度的實(shí)際情況來看，跨度應(yīng)滿足在工程要求的12～36 m 范圍內(nèi)，如果柱寬度存在不均等的情況，則應(yīng)統(tǒng)一進(jìn)行外側(cè)對(duì)齊的方式，結(jié)合室內(nèi)高度來合理調(diào)整單層門式剛架結(jié)構(gòu)的高度。在考慮單層門式剛架間距離時(shí)，應(yīng)從整體上綜合考慮負(fù)載情況、剛架跨度等因素，間距往往可以設(shè)置為6.0、7.5、9.0 m，并且應(yīng)保障縱向、橫向溫度區(qū)段分別小于300 m、150 m。

對(duì)于荷載組合方面，則應(yīng)重視以下問題：

（1）因?yàn)閱螌娱T式剛架屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的結(jié)構(gòu)，結(jié)合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《門規(guī)》）以及GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，基本風(fēng)壓仍可按照50 年重現(xiàn)期的風(fēng)壓取值，但應(yīng)該按照《門規(guī)》4.2.1 部分乘以增大系數(shù)β。由于風(fēng)可以從任意方向吹來，內(nèi)部壓力系數(shù)應(yīng)根據(jù)最不利原則與外部壓力系數(shù)組合，從而得到風(fēng)荷載的控制工況，即為4.2.1部分給出的風(fēng)荷載系數(shù)。通過“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”分別與外部壓力系數(shù)組合得到二種工況：一種為“鼓風(fēng)效應(yīng)”（+i）與外部壓力系數(shù)組合；另一種為“吸風(fēng)效應(yīng)”（-i）與外部壓力系數(shù)組合（注（+i）、（-i）分別表示構(gòu)件在風(fēng)荷載作用的“鼓風(fēng)效應(yīng)”和“吸風(fēng)效應(yīng)”的工況）。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，兩種工況均應(yīng)考慮，并取最不利工況下的荷載。低矮房屋屋面風(fēng)吸力較大，這是《門規(guī)》與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》最大的區(qū)別，檁條在風(fēng)吸力作用下有可能產(chǎn)生下翼緣失穩(wěn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。

（2）結(jié)合實(shí)際情況中的積灰荷載與雪荷載，以及相應(yīng)不上人屋面均布荷載情況，選擇其中較大值，尤其應(yīng)注意基本雪壓應(yīng)該取100年重現(xiàn)期的雪壓，采用屋面積雪的不均勻分布。

（3）不上人屋面均布荷載并不和雪荷載一起考慮，僅結(jié)合實(shí)際來選擇不上人屋面均布荷載或雪荷載中較大數(shù)值的荷載。

1.2 剛架最優(yōu)間距的確定

在綜合考慮屋面荷載、檁條形式的基礎(chǔ)上，方可提出合理的剛架間距。當(dāng)剛架的跨度較小時(shí)，如果不切實(shí)際提出較大的剛架間距，往往會(huì)造成檁條用鋼量的增加，增加成本。通過結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)際情況，計(jì)算分析可知，在逐步增加剛架間距情況下，剛架用鋼量會(huì)出現(xiàn)下降，如果滿足相關(guān)條件的柱間距要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。例如，對(duì)于柱高度6 m，通過計(jì)算以及分析得到相應(yīng)的剛架最優(yōu)間距分布如下：針對(duì)跨度為9～12 m的剛架，間距選擇6 m較為合適；對(duì)于跨度為12～18 m的剛架，選擇7.5 m的間距合適；而跨度為18～36 m的剛架，則應(yīng)選擇7.5～9.0 m的間距。

1.3 單層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下方面：

（1）重視墻體以及面板所涉及到的對(duì)接處理，以保障支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能得到提升[1]。

（2）考慮到門式剛架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及彎折性的情況，在具體的運(yùn)輸及安裝環(huán)節(jié)中，一定要從實(shí)際出發(fā)制定具體的保護(hù)措施，避免出現(xiàn)形變的問題[2]。

（3）考慮到鋼材的實(shí)際情況，還應(yīng)保障構(gòu)件在保存以及應(yīng)用中存在著的生銹問題，避免造成受力方面的負(fù)面影響[3]。

（4）結(jié)合單層門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)重視輕型化存在的相應(yīng)問題以及風(fēng)力載荷的作用影響等。

（5）結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐情況，單層門式剛架大多體現(xiàn)出框排架結(jié)構(gòu)體系方式，主要是利用多榀并排平面主框架在某些縱向構(gòu)件連接形成的空間結(jié)構(gòu)體系。

1.4 連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接情況，參考單層門式剛架結(jié)構(gòu)，橫梁以及柱連接方式，大多為以下3種方式。①端板平放，連接剛度較小，應(yīng)實(shí)現(xiàn)梁柱加腋，能體現(xiàn)出安裝環(huán)節(jié)的便利性；②端板豎放，這種方式對(duì)螺栓或焊縫的過程要求較高；③端板斜放，具有最大的剛度，安裝難度較大。

2 圍護(hù)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 檁條與墻梁

對(duì)于檁條形式進(jìn)行分析，主要涉及到的有鋼檁條和組合檁條的類別。結(jié)合門式剛架的特點(diǎn)，相應(yīng)的截面形式大多為實(shí)腹式冷彎薄壁C 型或Z 型。另外，綜合考慮天窗分布情況、采光實(shí)際特點(diǎn)、剛度以及長度等方面來合理確定檁條間距，一般往往選擇等間距布局的方案。一般來說，使用承重柱或墻架柱來設(shè)置墻梁，能有效實(shí)現(xiàn)墻體荷載傳遞到柱子。

2.2 支撐和剛性系桿的布置

支撐和剛性系桿的布置應(yīng)考慮以下問題：

（1）在設(shè)計(jì)柱間支撐開間環(huán)節(jié)，則應(yīng)合理設(shè)計(jì)縱向支撐結(jié)構(gòu)，以提升結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性。

（2）端部支撐則是往往在溫度區(qū)端部相應(yīng)的1個(gè)、2 個(gè)開間階段，并結(jié)合受力情況來優(yōu)化相應(yīng)的柱間支撐距離，大多為30～45 m。

（3）結(jié)合剛架轉(zhuǎn)折的情況，優(yōu)化設(shè)置剛性系桿，或者還可以通過使用檁條材料代替剛性系桿，如果難以滿足實(shí)際項(xiàng)目的需求，可以將H型鋼或鋼柱加裝在剛架斜梁，滿足強(qiáng)度的要求。

2.3 空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)

從房屋實(shí)際需求出發(fā)，有效實(shí)現(xiàn)空間的優(yōu)化，并要重點(diǎn)考慮對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響較大的因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)中存在的問題，積極與設(shè)計(jì)人員、建設(shè)單位進(jìn)行溝通和交流，以保障空間優(yōu)化任務(wù)的順利完成。

3 工程案例

3.1 工程概況

中順潔柔（湖北）紙業(yè)股份有限公司年產(chǎn)30 萬t高檔生活用紙項(xiàng)目二期工程的原料倉庫，位于湖北省孝感市，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，基本風(fēng)壓Wo=0.35 kN/m2，地面粗糙度為B 類，按100 年重現(xiàn)期的基本雪壓Wo=0.6 kN/m2?？缍葹?1 m，剛架間距7.5 m。

3.2 單榀剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 剛架柱頂水平位移分析

經(jīng)計(jì)算分析，因?yàn)楸窘ㄖ挥诘土叶葏^(qū)，所以主要水平荷載為風(fēng)荷載控制。在水平荷載作用下，最大柱頂水平位移為1/663，滿足《門規(guī)》中無吊車的單層門式剛架柱頂位移1/60 限制的要求，符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。

3.2.2 主要受力構(gòu)件應(yīng)力比控制

結(jié)合構(gòu)件屈曲后強(qiáng)度的情況，通過分析計(jì)算，鋼柱的強(qiáng)度應(yīng)力比以及穩(wěn)定性應(yīng)力比均控制在0.80～0.85之間，鋼梁的強(qiáng)度應(yīng)力比以及穩(wěn)定性應(yīng)力比均控制在0.85～0.89 之間較為合理，既有一定的安全儲(chǔ)備，用鋼量也比較經(jīng)濟(jì)。

3.2.3 積雪荷載的分布

該地區(qū)按100 年重現(xiàn)期的基本雪壓為0.6 kN/m2，在設(shè)計(jì)時(shí)必須按照《門規(guī)》第4.3部分，考慮雪在女兒墻與屋面交界處以及內(nèi)檐溝處的局部堆積作用。

3.3 支撐設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)屋蓋水平支撐時(shí)，從屋蓋剛性角度出發(fā)，不僅要在剛架的橫向設(shè)置交叉屋面支撐，也要沿剛架的縱向在兩側(cè)設(shè)置無屋面支撐，這樣能保障結(jié)構(gòu)剛度得到合理化調(diào)整，有利于實(shí)現(xiàn)整體性的要求，滿足受力狀態(tài)的要求。

在進(jìn)行柱間支撐設(shè)計(jì)方面，結(jié)合項(xiàng)目，選擇交叉形的柱間支撐方案，能滿足項(xiàng)目的實(shí)際要求。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)踐中單層門式剛架結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及在工程實(shí)踐中所遇到的問題，在經(jīng)過不斷總結(jié)的基礎(chǔ)上，探討了在進(jìn)行單層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)該注意的問題，但在優(yōu)化單層門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程分析中，仍然還存在著諸多的不完善之處，在中國建筑行業(yè)快速發(fā)展的背景下，一定要充分重視合理化選擇單層門式剛架結(jié)構(gòu)，在工作實(shí)踐中，從項(xiàng)目實(shí)際情況出發(fā)，重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的每個(gè)細(xì)節(jié)，從而全方位推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性發(fā)展。