門式剛架鋼結(jié)構設計要點

呂鵬飛

中國石油吉林石化礦區(qū)服務事業(yè)部

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構屬輕型鋼結(jié)構的一個分支，發(fā)展至今無論設計制作、施工標準都有完善的體系及標準可查。門式剛架建造的建筑物具有質(zhì)量輕、建造周期短、外形美觀、標準化程度高以及綜合成本低等優(yōu)點。近年來，隨著經(jīng)濟建設的需求，大量門式剛架輕型鋼結(jié)構廠房應用到工程建設中[1]。

1 應用范圍及技術特征

1.1 應用范圍

節(jié)能環(huán)保型材料被廣泛用于門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構建設中以達到節(jié)能環(huán)保目的。基于此結(jié)構建造的房屋具有眾多優(yōu)點，可適應不同的氣候，市場應用前景廣泛，如工程建設中的臨時工人宿舍、居民區(qū)附近的大型便民市場、臨時搭建用于展示商品的展館、造車廠的大型庫房或周轉(zhuǎn)車間、各種工業(yè)廠房以及農(nóng)村的民居等。

1.2 技術特點

門式剛架與一般普通鋼結(jié)構相比具有以下幾方面明顯優(yōu)勢：橫截面小，占用空間小，有效增大空間利用率；方便結(jié)構布置，適用各種建筑造型；剛度好，在相同密度下可實現(xiàn)高強度；工廠化預制，快速組裝，縮短施工周期；建設成本低，用鋼量為普通鋼結(jié)構的1/5。

2 結(jié)構設計

2.1 國標圖集及標準規(guī)范

國家標準圖GB 51022《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)范》為鋼結(jié)構單層房屋的設計、制作和安裝提供指導。風荷載按照GB 50009《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》附錄中的風壓表并參照風壓圖，查取當?shù)?0 年一遇基本風壓。由于對雪載荷較敏感，需要遵循GB51022 附錄中的要求進行設計[2]，同時從GB50009 附錄中查取當?shù)?00 年內(nèi)基本雪壓情況[3]。檁條按GB 50018《冷彎薄壁型鋼結(jié)構技術規(guī)范》進行計算和校核[4]。設計時要根據(jù)抗震等級（1～3 級）和GB50010 來計算以下三個指標：①鋼筋抗拉強度與屈服強度比值要求；②屈服強度實測值與屈服強度標準值比值要求；③伸長率要求[5]，應參照16G101-1/58國家標準圖，以確定受拉鋼筋的錨固長度[6]。甲、乙類廠房的墻面、屋面及外門窗泄爆構造可按14J938國家標準圖集設計[7]。防火設計應滿足GB 50016[8]和建標-152[9]要求。工業(yè)廠房的節(jié)能設計須按照GB 51245[10]來確定建筑類別。由GB 50176[11]中查得建設地區(qū)所屬的氣候分區(qū)，依據(jù)屋面、外墻、外門窗、屋頂透光部等具體情況及尺寸進行體形系數(shù)計算。建筑經(jīng)熱工計算各圍護結(jié)構熱工性能后須滿足GB 51245 相關要求。按GB50153[12]確定廠房結(jié)構安全等級，按照GB/T 50046來確定鋼結(jié)構保護層厚度[13]。

2.2 結(jié)構方案確定

從所受力的傳輸路徑角度分析，門式剛架鋼結(jié)構具有空間化特點，這與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構在組成方式上具有很大區(qū)別，門式剛架鋼結(jié)構內(nèi)部的鋼架、鋼板等相互連接和依托，形成了有力的空間支撐。

從鋼架型式角度可將門式剛架承重結(jié)構分為兩種：一種是無內(nèi)柱單跨結(jié)構，其跨度范圍為0～48 m；另一種是有內(nèi)柱多跨連續(xù)結(jié)構，其跨度范圍為0～30 m。除上述兩種比較常用結(jié)構外，還可以從單坡多坡、多跨等高或者不等高等幾個角度分為其他不同的型式。

鋼筋混凝土獨立式基礎是目前采用的最廣泛、最可靠的基礎型式。在實際設計時，要從成本、收益等經(jīng)濟角度和側(cè)向受力變形位移等可靠性角度進行多方案比選，合理地確定鋼架承重結(jié)構方案[14]。

2.3 材料選擇

鋼結(jié)構構件所采用的鋼材應滿足荷載特征、結(jié)構承重、環(huán)境溫度等諸多因素的要求，同時須考慮鋼材性能和質(zhì)量來進行綜合經(jīng)濟對比分析。鋼材宜選用Q235B～Q235D 及Q355B～Q355E；結(jié)構設計強度控制時，可選用強度高的鋼材；撓度控制時，可選用Q235 鋼材；存在疲勞破壞時，高強度鋼效果不佳；結(jié)構穩(wěn)定控制時，低強度鋼更經(jīng)濟。

3 工程實例

以西部地區(qū)某天然氣壓縮機罩棚為例，對此類結(jié)構的設計過程進行分析。

3.1 建筑概述

罩棚跨度24 m，柱距6 m，共7 跨，長42 m，高度14 m，牛腿標高10.8 m。罩棚采用單層彩鋼板雙坡屋面，四面開敞無圍護墻及門窗。屋面設有排水，設檐溝及雨水管，兼有防冰溜掉落傷人的作用。罩棚的結(jié)構安全等級設計采用二級。

3.2 上部結(jié)構參數(shù)設計

（1）高寬比。罩棚高度14m，寬度24 m，高寬比小于1，滿足GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)范》第1.0.2條要求，適用此規(guī)范。

（2）風荷載與雪荷載。按GB 50009—2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》查取當?shù)鼗撅L壓，參照規(guī)范附錄中的風壓圖，采用50 年一遇基本風壓w0=0.55 kPa。從GB 50009-2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》查取當?shù)?00年重現(xiàn)期基本雪壓s0=0.20 kPa。

（3）鋼材選用。建設地區(qū)為寒冷地區(qū)，室外環(huán)境絕對最低氣溫大于-20 ℃，采用Q235B或Q355B鋼材。

（4）屋面板。屋面采用0.8 mm 厚單層彩鋼板，可滿足耐久性要求和屋面防雷構件的需要，彩鋼板展平荷載0.8×78.5×10-3=0.063(kPa)。

3.3 門式剛架鋼結(jié)構梁柱設計

3.3.1 門剛梁柱截面初選

本項目的建筑中牛腿及柱頂高度較高，不能按19G518-3 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構（有吊車）》選型。牛腿以上截面參考19G518-3 中的GJL24-2 截面，對應24 m 跨6 m 柱距5 t 單梁式吊車；牛腿以下截面（下柱）參照19G518-3 中柱頂較高、跨度較大的門剛結(jié)構，待結(jié)構計算復核最后確定。

3.3.2 門式剛架主剛架風壓計算

參照GB 51022—2015中的4.2節(jié)：

式中：系數(shù)β=1.1；μw為風荷載系數(shù)，開敞雙坡各區(qū)可取μw=-0.75、0.75、-0.5；μz為風壓高度變化系數(shù)；按GB 50009—2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》）8.2.1，粗糙度B類，13 m高度取1.1。

屋面梁風吸力線荷，0.33 kPa×6 m=2.0 kN/m，墻面按2 m寬（6 m柱距無墻通透折減），0.5 kPa×2 m=1.0 kN/m加在柱上。

3.4 支撐系統(tǒng)設計

屋面水平支撐、系桿按19G518-3《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構（有吊車）》布置；上柱支撐按19G518-3 中相關構造布置；下柱高寬比接近于2，采用雙層交叉支撐受力較好，因19G518-3 中無合適的下柱支撐可選用，因此為下柱支撐（雙層交叉支撐），采用TSSD探索者軟件進行輔助設計，其中構件尺寸參考19G518-3中下柱柱間支撐桿件尺寸。

3.5 屋面檁條系統(tǒng)設計

3.5.1 檁條

檁條按GB 50018-2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構技術規(guī)范》進行計算和校核。按GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)范》進行風荷載計算。

根據(jù)GB 51022-2015/19頁第4.2.1條可知：

式中：系數(shù)β取1.5；μw為風荷載系數(shù)，按GB 51022—2015 表4.2.2-4a 取值：吸力時-1.65，壓力時0.85；GB 50009—2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》表8.3.1中四面開敞雙坡坡度10°以下的體型系數(shù)為-1.3，偏??；μz為風壓高度變化系數(shù)，按GB 50009—2012《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》8.2.1，粗糙度B 類下，15 m高度取1.13。

3.5.2 拉條

為克服風吸力，本次設計屋面拉條T改為雙拉條2T。

3.5.3 屋面檁條系統(tǒng)選用

按國家標準圖11G521-1《鋼檁條》，選用及布置檁條系統(tǒng)，檁條采用LC6-18.3，7.9 kg/m。拉條T和斜拉條XT（Φ12），0.89 kg/m。撐桿CG，D32×2（1.47 kg/m）+Φ12。檁距1.5 m，6 m 跨，約9 m2區(qū)塊內(nèi)：LC6長6 m，T長1.5 m，合計48.7 kg，折算面荷0.05 kPa。檁條系統(tǒng)折算恒荷載取0.1 kPa。按照11G521-1《鋼檁條》對分別位于左側(cè)和右側(cè)的斜接條進行編號。按照11G521-1/21中的1-1 條，屋頂雙脊檁間距范圍為200m～500 mm。按照19G518-3/57和11G521-1/58，屋面隅撐YC不小于L50×5。

4 結(jié)論

門式剛架建造的建筑物標準化程度較高，每一個設計步驟都可遵循相關國家標準和國家標準圖集。總結(jié)設計要點如下：

（1）從上部結(jié)構的參數(shù)設計入手。主要設計參數(shù)有高寬比、風荷載與雪荷載、鋼材選用和屋面板。

（2）確定門式剛架鋼結(jié)構梁柱。門剛梁柱截面進行初步選擇并須計算出門式剛架風壓。

（3）設計支撐系統(tǒng)須同時考慮屋面水平支撐、系桿和柱間支撐。

（4）確定整個屋面檁條系統(tǒng)。利用GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構技術規(guī)范》中的風荷載公式計算檁條的風荷載，并依據(jù)風吸力大小判斷拉條形式，按國家標準圖11G521-1《鋼檁條》選用及布置屋面檁條。

通過以上四個要點以及現(xiàn)有完善的體系和標準，可初步完成門式剛架輕型鋼結(jié)構的工程設計。