門式剛架結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

宋慧斌 山西潞安工程勘察設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司

1 前言

門式剛架結(jié)構(gòu)在廠房建設(shè)中的應(yīng)用，可提高廠房建設(shè)的速度，并可保證廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。目前，門式剛架一般采用的是新型環(huán)保材料，質(zhì)量更輕，并且是工廠化生產(chǎn)，將剛架運(yùn)輸至施工現(xiàn)場直接進(jìn)行組裝，施工速度快，與傳統(tǒng)施工建設(shè)相比，剛架組裝更加的方便快捷，并且組裝后的廠房兼具美觀和實用性，進(jìn)一步擴(kuò)展了剛架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，除了在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，還可用于市場、庫房，以及民用建筑等設(shè)計中。

2 門式剛架結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

第一，門式剛架在用于廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時，有一個非常明顯的劣勢，主要是其構(gòu)件的強(qiáng)度不夠，彎折性不好，進(jìn)而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的剛性不夠，因此，需要在施工和運(yùn)輸環(huán)節(jié)多加注意，盡量避免構(gòu)件變形問題的出現(xiàn)。

第二，門式剛架在設(shè)計階段，要從整體布局入手，進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和設(shè)計，對門式剛架安裝過程中的各個構(gòu)成要素進(jìn)行有序?qū)?，尤其是墻體與屋頂之間，以及各個面板之間的對接，其決定著整個結(jié)構(gòu)的牢固程度。

第三，由于門式剛架結(jié)構(gòu)是由眾多的構(gòu)件組成，這些構(gòu)件多數(shù)使用的是輕質(zhì)材料制作，在安裝和運(yùn)輸中容易出現(xiàn)破損，需在這兩個環(huán)節(jié)做好防護(hù)措施。

第四，門式剛架結(jié)構(gòu)主體使用的是鋼材料，在用于廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮到防腐措施，避免剛架銹蝕，降低剛架結(jié)構(gòu)的荷載能力。

第五，在設(shè)計中需慎重考慮塑性設(shè)計問題，如果剛架梁柱使用的是變截面桿件，梁柱腹板的強(qiáng)度，在設(shè)計中要采用使用后的屈曲強(qiáng)度，也就不能使用塑性設(shè)計。

第六，在設(shè)計中要考慮特殊情況下，屋面荷載問題，剛架結(jié)構(gòu)的屋面使用的是輕型面板，當(dāng)風(fēng)力過大，這些輕型面板荷載過大，極易被損壞。

3 結(jié)構(gòu)形式

門式剛架結(jié)構(gòu)包括了單跨、雙跨、多跨等多種類型，也可通過坡脊數(shù)進(jìn)行區(qū)分，像單脊單坡、多脊多坡，屋面的坡度一般需控制在1/20～1/8。其中單脊雙坡多跨剛架在廠房結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，其支柱設(shè)計較少，可保證內(nèi)部空間的最大化。在負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)較低，且柱高有一定要求的情況下，應(yīng)以材料集中安裝作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，中柱可采用搖擺柱的設(shè)計方式，對其兩端進(jìn)行鉸接。

在門式剛架結(jié)構(gòu)中，柱腳通常采取鉸接處理，如果廠房建設(shè)后，需要使用橋式吊車，那么在柱腳設(shè)計中，則需采用剛接處理，在吊車選擇時，要考慮剛架結(jié)構(gòu)可承受的負(fù)荷，建議使用重量小于20t的橋式吊車，或者是小于3t的懸掛吊車。

4 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計優(yōu)化

4.1 剛架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

在剛架結(jié)構(gòu)柱寬度不一致的情況下，需與外側(cè)保持一致，柱的高度要結(jié)合剛架內(nèi)部的實際情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，需控制在5m～9m 之間?？缍茸畲鬄?5m，最小為10m。另外，剛架間距在設(shè)計中，需要根據(jù)跨度和負(fù)荷進(jìn)行設(shè)置，可選擇的距離有6m、7m、9m?？v橫向的溫度區(qū)段不可超過300m和150m，有特殊設(shè)計要求的需依據(jù)實際情況，可進(jìn)行合理的調(diào)整。

4.2 檁條和墻梁設(shè)計

檁條間距在設(shè)計中要從天窗尺寸、剛度、采光等多個方面進(jìn)行慎重考慮，在業(yè)主方?jīng)]有要求時，一般使用的是等間距設(shè)計，屋脊兩側(cè)、天溝位置各設(shè)一道檁條。側(cè)墻梁在設(shè)計中，需從整體功能上出發(fā)，并且要考慮到門窗和雨搭的設(shè)計要求。

4.3 支撐與系桿設(shè)計

第一，溫度區(qū)段在設(shè)計中，要保持其相對的獨(dú)立性，以確保其具有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。

第二，支撐開間屋蓋需具有幾何穩(wěn)定性，應(yīng)采取橫向支撐。

第三，端部各個支撐的間距一般為30m～45m之間，一般設(shè)計在溫度區(qū)段，廠房有吊車要求的情況下，間距可增加至60m，并且要考慮結(jié)構(gòu)的縱向受力數(shù)據(jù)。第四，第二個開間設(shè)計支撐的情況下，第一個開間與之對應(yīng)的位置，需要使用剛性系桿。

第五，剛架轉(zhuǎn)彎位置，應(yīng)采用剛性系桿鞏固剛架結(jié)構(gòu)，系桿的長度要根據(jù)廠房的長度進(jìn)行設(shè)計。

第六，剛性系桿可以使用其他材料進(jìn)行替換，以達(dá)到穩(wěn)定剛架結(jié)構(gòu)的目的，如果檁條剛性較好，就可進(jìn)行替換，當(dāng)檁條不符合的情況下，可采用H型鋼替代，進(jìn)而提高整個結(jié)構(gòu)的負(fù)荷能力和穩(wěn)定性。

第七，如果廠房需要使用大于5t的吊車，必須要使用型鋼做支撐，如若業(yè)主要求不用柱間支撐，可應(yīng)用縱向剛架做支撐。

5 門式剛架設(shè)計優(yōu)化

5.1 荷載與其組合

5.1.1 荷載類型

荷載可分為永久荷載和可變荷載，永久荷載是指不發(fā)生變化的荷載，也就是剛架以及剛架上各種材料、各種構(gòu)件的重量總和，像屋面重量、梁柱、支撐、剛架本身的重量等?？勺兒奢d，也就是指隨時變化的荷載，比對，剛架結(jié)構(gòu)上的灰塵，屋面受到大風(fēng)、下雨、下雪的影響，以及廠房中使用了吊車等，這些都會導(dǎo)致荷載發(fā)生一定的變化。

5.1.2 荷載組合

遵循GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求，對荷載組合進(jìn)行設(shè)計。

第一，在計算屋面受到的荷載力時，要使用最大荷載值，不可使用均勻荷載，由于積灰荷載值過小，設(shè)計中無需考慮。

第二，在施工、維修荷載設(shè)計時，不用納入剛架自身的荷載。

第三，如果廠房在建設(shè)后，需要使用多臺吊車，應(yīng)完全遵循規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計。

第四，其他荷載，像地震、風(fēng)力、雪雨等，這些都會對屋面有一定的荷載作用，需要分別考慮。

5.2 梁柱設(shè)計

第一，檢測梁柱承受力的最大值，并明確其厚寬比例；第二，支撐體系，梁腹板需要安裝在支柱中間，應(yīng)準(zhǔn)確計算出梁腹板兩側(cè)的橫向受力；第三，要確定梁柱安裝后，在整個結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定程度；第四，變截面柱具有支撐的作用，需對其支撐的可靠性進(jìn)行檢測。

5.3 附屬結(jié)構(gòu)

5.3.1 壓型鋼板

第一，在選擇鋼板時，首先需要結(jié)合廠房的實際功能、使用年限要求，以及建設(shè)后的用途等，進(jìn)行壓型鋼板的選擇，以保證廠房在使用年限內(nèi)，無任何問題。

第二，截面的選擇，其有高、中、低三種波板，其中高波板的剛度最大，負(fù)荷能力也是最好的。

第三，強(qiáng)度與擾度，在實際的計算中，需使用單槽口的有效截面，依據(jù)受彎構(gòu)件進(jìn)行計算。

第四，需要考慮到業(yè)主對設(shè)計的特殊要求，進(jìn)行鋼板型號的選擇。

5.3.2 檁條

第一，檁條截面可分為實腹式、格構(gòu)式兩種，當(dāng)剛架跨度對檁條的要求在8m以內(nèi)時，建議選擇實腹式；第二，設(shè)計人員如果應(yīng)用的是雙向受彎結(jié)構(gòu)，在檁條受力分析中，要使用檁條上的兩個軸心進(jìn)行計算，確定其截面的彎矩受力；第三，在檁條安裝之前對其進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，主要包括了剛度、穩(wěn)定性、形變等，以保證檁條質(zhì)量符合廠房結(jié)構(gòu)組裝的要求。

5.3.3 墻梁

墻梁的設(shè)計較為靈活，依據(jù)柱距進(jìn)行確定，可使用一個簡支梁，也可使用連續(xù)梁。由于墻梁雙向受彎，會受到風(fēng)力、自身重量，以及承載構(gòu)件等的影響，材料建議使用z 形鋼。以及墻面邊界的位置，必須要安裝一道墻梁。針對墻梁的撓度與荷載問題應(yīng)設(shè)計拉條，以減少兩個作用力對墻梁的影響，通常設(shè)計在墻梁上，或者是最上層墻梁位置，設(shè)計一道斜拉條，將兩個作用力傳遞給剛架柱。

5.3.4 支撐

剛架結(jié)構(gòu)的柱間一般使用的是安拉桿設(shè)計，以作為柱間的支撐。斜梁水平支撐力計算需要考慮到兩個參數(shù)，一個是橫向風(fēng)力，另一個是水平桁架，并且要注意斜梁負(fù)荷的考量，以確定準(zhǔn)確的水平支撐力。柱間支撐力計算時，需要考慮縱向風(fēng)力和懸臂桁架，并要減去壓桿交叉支撐的承受力。

6 柱間距的優(yōu)化設(shè)計

柱布置是剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點和重點，需依據(jù)廠房的設(shè)計要求，科學(xué)合理的布置柱間距平面圖。在以往的設(shè)計中，一般將柱間距設(shè)置在6m左右，并可依據(jù)業(yè)主對廠房設(shè)計的實際要求，將柱距增加至9m，或者是其他間距，使用的是設(shè)定值的設(shè)計方式，遵循普通廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。但是這種設(shè)計方式，已經(jīng)不適用現(xiàn)階段門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求，由于柱間距設(shè)計與廠房建設(shè)成本有著直接的關(guān)系，應(yīng)從控制費(fèi)用的角度出發(fā)，進(jìn)行柱間距的優(yōu)化設(shè)計。

第一，剛架成本，剛架的質(zhì)量和用量決定著成本，呈現(xiàn)的是正比關(guān)系，在保證剛架質(zhì)量的基礎(chǔ)上，用鋼量是成本控制的關(guān)鍵性指標(biāo)，柱間距也是柱密度的體現(xiàn)，密度越大，則用鋼量也就越多。

第二，在剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用節(jié)能、環(huán)保型等高科技面板材料，替代原先的鋼筋混凝土面板，是對原有剛架結(jié)構(gòu)的升級和改進(jìn)，輕型剛架結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，可直接減少柱的數(shù)量，柱間距增加，成本直接被降低。

第三，柱間距的用鋼成本，還與鋼的市場價格、產(chǎn)品規(guī)格、制造技術(shù)等有關(guān)，如果使用標(biāo)準(zhǔn)化鋼材，那么需要較大的成本費(fèi)用。因此，在柱間距設(shè)計中，要抓好柱間距的各項參數(shù)，計算出不同柱間距模式的成本，以成本最小化為原則，在保證剛架結(jié)構(gòu)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計出理想的柱間距布置方案。

7 結(jié)束語

基于以上的論述，在門式剛架設(shè)計優(yōu)化中，需要注意結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要從整體性上出發(fā)，每個構(gòu)件都會影響到整個剛架的穩(wěn)定性，綜合考慮剛架結(jié)構(gòu)縱向和橫向上的受力，合理設(shè)計剛架結(jié)構(gòu)的尺寸、形式、附屬結(jié)構(gòu)等，精確計算各個構(gòu)件的荷載力，并妥善的進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，構(gòu)建一個穩(wěn)定、可靠的空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)而打造出一個高質(zhì)量的廠房工程。