工業(yè)廠房門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及要點分析

孫金鵬

（太原市政工程勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

門式剛架輕型房屋具有加工制作方便和抗震性能好等特點，最早應(yīng)用于臨時營房和家庭車庫等簡易類的建筑工程上。目前，許多建筑工程項目的建設(shè)周期愈來愈快，部分項目對工期有著較為嚴格的要求，所以一些工業(yè)廠房或簡單構(gòu)筑物可引入門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)十分的環(huán)保、節(jié)能，且施工速度快，能滿足建筑工程的施工進度要求。但在實際施工建設(shè)中，要充分發(fā)揮門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，須不斷優(yōu)化設(shè)計過程，明確設(shè)計要點，確保設(shè)計成效。本文就工業(yè)廠房門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程及要點進行分析，以供參考。

1 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

門式剛架作為一種簡單的結(jié)構(gòu)體系，施工方便，將其與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件相結(jié)合建設(shè)房屋，能夠保證房屋的承載性。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)具備以下優(yōu)點：

（1）施工周期短。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)之所施工周期短，完全取決于輕量化，易于加工和安裝。

輕量化：門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)采用輕型鋼材料，使得整個結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)來說更加輕盈，重量大大減輕，從而降低了對基礎(chǔ)的要求，縮短了施工周期。

易于加工和安裝：門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的加工和安裝相對于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)更加容易和靈活，其應(yīng)用的鋼構(gòu)件會提前在工廠加工完成，只需在現(xiàn)場施工時對其進行連接、組裝即可，所以施工速度快，提升了工程施工的效率，達到預(yù)期的項目進度目標。

（2）使用空間大。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的屋面荷載較小，對于相同的占地面積，此種結(jié)構(gòu)能做大跨度，使房屋空間利用更加寬廣，滿足用戶的大跨度需求。

（3）能循環(huán)使用。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的材料多數(shù)是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，十分便于拆卸、施工，且能夠循環(huán)利用，十分環(huán)保，一般不會影響周圍環(huán)境，與我國的綠色建筑理念高度契合。

（4）提高生產(chǎn)效率，成本相對低。工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有輕量化、易于加工和安裝的特點，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)件可以預(yù)制和加工，提高了工廠生產(chǎn)效率和工作效率，降低了建設(shè)成本。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)能結(jié)合受力的實際情況做出變截面柱和變截面梁，受力結(jié)構(gòu)簡單，施工成本低，對于穩(wěn)定性能、抗震性能要求不高的項目可使用此種結(jié)構(gòu)進行施工建設(shè)[1]。此外，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)可以根據(jù)生產(chǎn)流程的需要進行定制，從而提高了生產(chǎn)效率和工作效率[2-3]。

（5）提高安全性。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)采用輕型鋼材料，但由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，所用材料的強度得到了充分的發(fā)揮，從而使整個結(jié)構(gòu)具有極高的強度和抗震能力，從而可以提高整個工業(yè)廠房的安全性。此外，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的所有連接采用螺栓連接，結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴格按照規(guī)范執(zhí)行，從而使整個結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性和安全性[4-5]。

（6）可持續(xù)性好。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)采用輕型鋼材料，減少了對自然資源的消耗，降低了對環(huán)境的影響。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)件可以回收和重復(fù)利用，具有較好的可持續(xù)性[6-7]。

2 工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程一般包括工程調(diào)查和勘測、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)荷載計算三個步驟：

2.1 工程調(diào)查和勘測

在進行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計前，需要對工程的基本情況進行調(diào)查和勘測，了解工程的地理環(huán)境、地形地貌、氣候條件、建筑用地的狀況、建筑規(guī)劃和設(shè)計要求等。

2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

在進行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，需要根據(jù)工程的實際情況和設(shè)計要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)方案。確定結(jié)構(gòu)的材料和規(guī)格，進行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計計算，確定結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接方式和尺寸，制定施工圖紙和相關(guān)規(guī)范。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計包括建筑的功能布局、建筑體系設(shè)計、建筑平面和立面的布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計、連接節(jié)點的設(shè)計等。

2.3 結(jié)構(gòu)荷載計算

在進行門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)荷載計算時，需要根據(jù)工程的實際情況和設(shè)計要求，確定建筑的設(shè)計荷載，包括自重、附加荷載和風(fēng)荷載等。結(jié)構(gòu)荷載計算是門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

3 工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 基礎(chǔ)構(gòu)件的設(shè)計

工業(yè)廠房在使用門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)從墻架構(gòu)件、支撐體系兩方面開展工程設(shè)計。

（1）在墻架構(gòu)件設(shè)計方面，設(shè)計人員可選擇Z字形冷彎薄壁型鋼與卷邊槽形等作為輕型墻體結(jié)構(gòu)的主要橋梁，并使用連續(xù)構(gòu)件和簡支構(gòu)件的形式設(shè)計墻梁，在剛架柱上方撐起兩端。若墻梁自身具備墻板落地、豎向承載力等條件時，設(shè)計人員則無需設(shè)置中間柱，而是要綜合考慮墻梁自身重量所產(chǎn)生的剪力及彎矩，使設(shè)計更加合理；若墻梁、墻板的重量需要墻梁承受，那么則可考慮雙向彎曲的情況。當墻梁跨度是4～6m時，需把拉條設(shè)置到跨中的位置，當墻梁跨度是6m時，則要將拉條設(shè)置到跨間的三分點位置，以此向墻架柱和承重柱等位置傳遞相應(yīng)拉力。

（2）在支撐體系設(shè)計方面，因工業(yè)廠房輕鋼結(jié)構(gòu)的鋼排架側(cè)向剛度較為薄弱，若想更好地抵抗地震、吊車剎車荷載以及水平風(fēng)荷載的作用，需在設(shè)計柱間支撐的開間時，設(shè)計屋蓋橫向支撐，通過構(gòu)成幾何不變的體系，使柱間支撐在溫度區(qū)段端部的首個開間內(nèi)。柱間所支撐的間距需結(jié)合建筑的安裝條件、吊車情況和柱距確定，通常無吊車的工業(yè)建筑柱間不應(yīng)超過45m的支撐間距，避免房屋設(shè)計出現(xiàn)風(fēng)險。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計

一般情況下，工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計要注意以下幾點：

（1）在設(shè)定門式剛架跨度取值標準時，要以橫向剛架柱的軸線之間距離為準；

（2）工業(yè)廠房門式剛架高度取值需是斜梁軸線、地坪至柱軸線交點的高度，要根據(jù)實際的使用要求、需求確定內(nèi)凈高；

（3）在選擇柱子軸線時，可根據(jù)柱子下端的中心點豎向軸線確定，斜梁軸線可根據(jù)變截面橋段中的最小端中心和斜梁上的平行軸線確定；

（4）工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的檐口高度要依據(jù)地坪到房屋外側(cè)檁條上邊的高度設(shè)定，房屋側(cè)墻墻梁與外皮的距離是房屋的寬度距離。一般情況下，門式剛架跨度是9～36m 之間，若邊柱寬度不相等，則需對齊外側(cè)，使房屋結(jié)構(gòu)更加合理、科學(xué)[8]。

3.3 合理設(shè)置剛架節(jié)點

在工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需按鉸接式設(shè)計門式剛架柱腳，利用平板錨栓式鉸接柱腳。如果工業(yè)廠房擁有5T及以上的橋式吊車時，則要將工業(yè)廠房的門式剛架柱腳設(shè)計為剛接的形式，如插入杯口式或錨栓式等。因柱腳錨栓很難承受柱腳底部的水平力，且柱底剪力小時可通過混凝土面、柱底板的摩擦來傳遞。若柱底剪力大，那么需在平板底部及時設(shè)計抗剪鍵來承受柱腳底部上的水平力。斜梁剛性和一般剛架邊柱進行連接時，通常是斜梁、中柱采取鉸接或中柱柱頂剛接的方式。對于斜梁和柱子之間的剛接，則可使用端板斜放、端板平放和端板豎放等形式。在剛性連接方面，應(yīng)使用強度高的摩擦螺栓手段，且螺栓要呈現(xiàn)對稱的狀態(tài)，在受壓翼緣、受拉翼緣內(nèi)側(cè)、外側(cè)設(shè)置螺栓。另外，門式剛架與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系在計算受力時，有明確的傳力路徑，其結(jié)構(gòu)體系中的壓型鋼板、檁條及剛架都互相支撐、依托，使得房屋受力趨向空間化。

3.4 塑性設(shè)計門式剛架

門式剛架主要包括以下三類荷載：一是屋面結(jié)構(gòu)類的自身重量，是永久的荷載；二是在屋面活荷載中的較大者荷載重量；三是風(fēng)荷載。通常情況下的工業(yè)廠房彈性設(shè)計需結(jié)合不同荷載情況獨自計算剛架內(nèi)力，并有目的、有計劃地組合各個構(gòu)件，計算出最不利的設(shè)計值。針對超靜定的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，可使用塑性設(shè)計的手段進行門式剛架設(shè)計，靈活利用構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的塑性性能，實現(xiàn)節(jié)約材料的目標。在塑性設(shè)計期間，要精準確定鋼結(jié)構(gòu)中塑性鉸位置，算出構(gòu)件截面的彎矩。另外，工業(yè)廠房的門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，要著重分析門式剛架的結(jié)構(gòu)。如通過靜力法確定塑性彎矩、塑性鉸位置，具體而言，先除去構(gòu)件中存在的超靜定贅余反力，形成靜定的結(jié)構(gòu)，隨后在了解荷載作用的基礎(chǔ)上，確定靜定結(jié)構(gòu)的具體彎矩圖，將贅余反力作用于靜定剛架中，并結(jié)合實際要求繪制因贅余反力導(dǎo)致的彎矩圖，疊加前方兩彎矩圖，算出門式剛架機構(gòu)的塑性鉸具體位置，滿足門式剛架的機構(gòu)條件與平衡條件[9-10]。

3.5 柱網(wǎng)布置和結(jié)構(gòu)選型

門式剛架所布置的跨度需根據(jù)建筑物的實際建筑環(huán)境、使用需求確定，通常范圍是9～36m。據(jù)相關(guān)研究表明，最為顯著的門式剛架跨度選值是21～30m，若跨度大則材料消耗小。因此，在柱網(wǎng)布置方面，可將排架柱間距合理控制到6～9m的區(qū)間，跨度若是越大，柱距也會越大，所以可將排架柱、剛架跨度相比取出3.5～5m的數(shù)值，使建筑高度的凈高在4.5～9m的范圍中。為確保建筑擁有充足的排水功能，屋頂坡度的取值不能低于5%，且要綜合考慮與分析橫向風(fēng)荷載的效果及作用，盡可能在滿足承載能力和穩(wěn)定能力的基礎(chǔ)上，控制住鋼架自身高度。另外，在選擇鋼柱形式時，應(yīng)采取工字型的設(shè)計，明確截面應(yīng)力的實際分布，發(fā)揮出材料原有的強度，以此提升資源的利用率。若是能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，那么柱腳設(shè)計方面可優(yōu)先使用鉸接的手段，從而簡化施工結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)廠房門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)為現(xiàn)代工業(yè)化建筑提供了更加靈活、高效、經(jīng)濟的解決方案。通過對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的特征、優(yōu)勢、設(shè)計建議和設(shè)計流程的分析可以看到，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕巧、易于加工、方便安裝、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)勢，可以有效提高建筑的質(zhì)量和效益，滿足現(xiàn)代工業(yè)化建筑的需求。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到工業(yè)廠房設(shè)計中，能縮短建設(shè)工期，提升施工質(zhì)量。因此，相關(guān)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需明確設(shè)計要點，合理設(shè)置剛架階段，注重基礎(chǔ)構(gòu)件的設(shè)計以及柱網(wǎng)的布置，循序漸進地提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有效降低施工成本。在門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工中，需要遵循科學(xué)規(guī)范，確保結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全性，從而為現(xiàn)代工業(yè)化建筑的發(fā)展提供更加可靠、高效的支持。