門式剛架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

岳軍

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司， 安徽 合肥 230000）

門式剛架結(jié)構(gòu)是一種輕鋼結(jié)構(gòu)， 具有輕量化、高強(qiáng)度、 工業(yè)化、 縮短工期等優(yōu)點(diǎn)， 在工業(yè)廠房、倉庫、 大型體育場、 展廳等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。 在實(shí)際工程中， 門式剛架結(jié)構(gòu)的使用雖然具有很大的優(yōu)越性， 但是一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)， 將會對工程的質(zhì)量和使用壽命造成直接的影響， 甚至造成安全事故。

1 門式剛架結(jié)構(gòu)概述

門式剛架結(jié)構(gòu)廣泛地用于工業(yè)廠房、 倉庫和商場， 而在工業(yè)廠房中， 剛架結(jié)構(gòu)的重要性日益突出，各種維護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)也形式多樣； 薄壁冷彎型鋼常用于墻架及屋面， 支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件有角鋼或槽鋼，支撐形式有門撐或交叉型。 剛架結(jié)構(gòu)通常是由梁和柱組成的直線型鋼結(jié)構(gòu)， 每榀剛架用支撐及剛性系桿連接， 形成一個(gè)整體， 在實(shí)際工程中， 通常把這種結(jié)構(gòu)稱為門式剛架結(jié)構(gòu)， 無吊車時(shí)柱腳形式可鉸接也可剛接， 有吊車時(shí)且噸位較大時(shí)柱腳用剛接[1]。鋼結(jié)構(gòu)的單層鋼架廠房， 特點(diǎn)是重量輕、 抗震性能好、 施工速度快。

2 門式剛架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房應(yīng)用必要性

與鋼筋混凝土相比， 鋼材以其高強(qiáng)度、 質(zhì)量輕、高機(jī)械性能等特點(diǎn)， 在不同的建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用， 從而使其具有較低的自重和較好的抗震性能。 《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》 明確，在地震強(qiáng)度為6 度及以下時(shí)， 通常不需進(jìn)行抗震驗(yàn)算[2]。 輕鋼結(jié)構(gòu)具有安裝方便、 快捷的特點(diǎn)， 無論從人員數(shù)量、 施工工藝、 施工時(shí)間等方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 另外， 在工廠使用輕鋼結(jié)構(gòu)時(shí)， 其成本較低是主要特點(diǎn)之一。 而且， 在裝配之前， 可以按照設(shè)計(jì)的要求， 提前制造出鋼件， 從而大大縮短了工程的工期。 工程造價(jià)進(jìn)一步降低。剛架結(jié)構(gòu)是一種可重復(fù)利用的材料， 能夠按照工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)際需要進(jìn)行拆卸和組合， 從而使其在工程應(yīng)用中具有更好的環(huán)境保護(hù)作用。

3 門式鋼架結(jié)構(gòu)平面布置

3.1 溫度區(qū)段長度

在門式剛架結(jié)構(gòu)的廠房結(jié)構(gòu)中， 屋面和外墻一般選用壓型鋼板。 因此， 在設(shè)計(jì)溫度段的長度時(shí)，要適當(dāng)?shù)胤艑捑嚯x。 一般在鋼結(jié)構(gòu)門式剛架廠房的設(shè)計(jì)中， 其縱向伸縮縫的間距不能超過300m， 而在水平方向上的伸縮縫間距不能超過150m[3]。 在進(jìn)行伸縮縫布置時(shí)， 可選用長圓孔作為搭接檁條的連接部位。 在此位置的屋面板結(jié)構(gòu)應(yīng)該可以脹縮， 也可以安裝兩個(gè)立柱， 在立柱與吊車梁的連接處， 根據(jù)縱向采用長圓孔。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

在多跨剛架內(nèi)， 由于工藝布置， 設(shè)備較多且大，部分邊柱和中間柱需要抽調(diào)， 這時(shí)可以進(jìn)行托架、托梁的布置。 在進(jìn)行屋面檁條布置時(shí)， 必須充分考慮天窗、 采光帶、 屋脊和屋面的材質(zhì)、 檁條本身的各種性能指標(biāo)及自重。 由于自重不同， 載荷相應(yīng)的也不同， 由此檁條間距、 屋面梁截面都會受到影響，必須對其進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算， 保證其精度[4]。 同時(shí)，選用最經(jīng)濟(jì)最合理的廠房柱距可以有效地控制廠房用鋼量， 節(jié)約成本。

3.3 墻架布置

在門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)中， 采用壓型鋼板作為側(cè)墻的圍護(hù)。 在剛架立柱外側(cè)進(jìn)行墻梁的布置， 應(yīng)根據(jù)墻板的板型和規(guī)格及在考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載的情況下確定墻梁的間距， 墻梁截面形式一般采用薄壁冷彎C型鋼材， 當(dāng)墻梁在風(fēng)荷載作用下受荷面積較大時(shí)也可采用薄壁方鋼， 墻梁的布置除考慮上述問題時(shí)也需考慮整個(gè)廠房外立面的布局， 如門窗位置大小及是否有特殊的造型等。

3.4 支撐布置

在門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)中， 為了保證整體的穩(wěn)定，可以采用多支撐結(jié)構(gòu)。 橫向水平支撐一般布置在橫梁的頂部， 一般稱之為柱頂系桿， 截面形式可以采用角鋼及圓鋼， 并且在剛架柱之間的位置上提供柱間的支撐。 各分段施工渠道均需設(shè)置支撐系統(tǒng)， 以保證各獨(dú)立空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 同時(shí)， 根據(jù)建筑的縱向柱距、 安裝條件、 受力條件等因素， 計(jì)算出柱間支撐的間距。 如果溫度區(qū)間太大， 那么應(yīng)該把間隔設(shè)定為三分點(diǎn)， 間隔不超過45m。 當(dāng)廠房的高度很大時(shí)， 可以在設(shè)置柱間支撐時(shí)進(jìn)行分層。 在進(jìn)行柱間支撐開間布置時(shí)， 必須同時(shí)布置屋蓋的側(cè)向支撐，以形成不變的幾何體系。 一般設(shè)置第一道柱間支撐時(shí)可以設(shè)置在第一或第二開間。 當(dāng)工程本地抗震設(shè)防烈度在8 度及以上時(shí)。 下柱支撐應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)壓梁。

3.5 檁條設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)分析表明， 檁條具有雙向彎曲特性。 在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)， 必須對其軸向的彎矩進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算。 在實(shí)際工程中， 應(yīng)對檁條的強(qiáng)度計(jì)算、 變形計(jì)算等進(jìn)行分析。 而對于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)， 由于冷彎薄壁檁條的使用， 其寬度比很大， 在受力時(shí)會發(fā)生彎曲。 為了解決這個(gè)問題， 在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)， 必須利用有效寬度， 對原來的截面進(jìn)行適當(dāng)?shù)南魅酢?同時(shí)， 在計(jì)算凈斷面的強(qiáng)度時(shí)， 也應(yīng)考慮釘孔的削弱。通常其強(qiáng)度在15%以下， 對小截面窄翼緣的梁有很大的影響。 通過對剛架的整體分析， 發(fā)現(xiàn)在不采用凈截面進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的情況下， 其結(jié)果往往比實(shí)際的應(yīng)力要小。 在設(shè)計(jì)時(shí)， 必須明確檁條的作用， 只支撐屋面及墻面板。 當(dāng)然， 對于剛架梁柱， 也有一定的影響， 可以合理地采用及控制隅撐的數(shù)量， 減少剛架外的計(jì)算長度， 從而大大提高剛架平面的穩(wěn)定性。

3.6 拉條設(shè)置

檁條的橫向剛度通常是由檁條的橫向剛度決定，若H型鋼的橫向剛度大， 則無需對其進(jìn)行安裝。 而當(dāng)檁條的橫向剛度很低時(shí)， 應(yīng)在檁條之間布置拉條，以充分發(fā)揮橫向支撐的功能， 從而有效地解決檁條在安裝和使用時(shí)發(fā)生的橫向變形和扭轉(zhuǎn)問題， 提高檁條的整體穩(wěn)定性。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 當(dāng)檁條間距小于4m時(shí)， 應(yīng)進(jìn)行合理的計(jì)算， 以確定拉條的安裝。當(dāng)檁條跨距大于4m時(shí)， 應(yīng)在檁條跨中設(shè)置一條拉條； 當(dāng)檁條跨越6m或更長時(shí)， 應(yīng)在橫梁跨三分處設(shè)置經(jīng)拉條， 并在檐口布置斜拉條、 撐桿等[7]。 根據(jù)8 ～10 mm的要求， 對拉條的直徑進(jìn)行嚴(yán)格控制， 應(yīng)將荷載、 檁條尺寸等因素考慮在內(nèi)。

3.7 撐桿設(shè)置

采用支撐裝置， 可有效地控制檐檁的上下向橫向彎曲。 根據(jù)規(guī)范要求， 合理地控制支撐桿的長細(xì)比， 通常選用鋼管、 方管、 角鋼等。 目前， 在一些項(xiàng)目中， 也會在鋼管內(nèi)部安裝拉條， 并在支撐桿上安裝斜拉條。

4 合理確定屋面支撐與柱間支撐

4.1 屋面支撐

通過分析， 屋面支撐一般不會承受很大的外力，應(yīng)密切考慮允許長細(xì)比， 合理地選取桿件截面， 并將拉桿與橫桿相結(jié)合， 進(jìn)行交叉斜撐、 柔性斜撐的科學(xué)設(shè)計(jì)。 根據(jù)工程的實(shí)際， 可以采用單角鋼[8]。要根據(jù)壓桿的要求， 合理地進(jìn)行無交叉斜桿、 弦桿和直桿的設(shè)計(jì)， 使用雙角鋼梁。 當(dāng)門式剛架結(jié)構(gòu)跨度大、 高度大時(shí)， 易受風(fēng)壓力影響， 應(yīng)根據(jù)內(nèi)力計(jì)算的結(jié)果， 合理地選擇其截面。 在計(jì)算支撐桿件的內(nèi)力時(shí)， 可以假定只受橫向荷載， 而壓桿不再起作用， 拉桿單獨(dú)受力。

4.2 柱間支撐

通常， 廠房柱間支撐可分為上部支撐和下部支撐。 在計(jì)算上部支撐時(shí)， 由于支撐剛度對溫度應(yīng)力有很大的影響， 所以必須根據(jù)柔性拉桿對支撐進(jìn)行合理的計(jì)算。 如果工程中采用小型起重機(jī)， 則一般采用圓形鋼材作為底層支撐。 若使用大型起重機(jī)，則使用角鋼及槽鋼制造底層支撐。 為確保設(shè)備的縱向剛度， 應(yīng)根據(jù)拉桿的不同， 進(jìn)行合理的交叉斜桿的設(shè)計(jì)。

4.3 合理設(shè)計(jì)隅撐

在梁的下部和立柱的內(nèi)側(cè)翼緣之間， 采用隅撐，可以防止發(fā)生不穩(wěn)定。 斜梁的受力變化是導(dǎo)致隅撐安裝的重要因素。 在荷載作用下， 梁的上部翼緣一般會受到壓力， 而檁條與鋼梁之間的連接可以起到很好的穩(wěn)定作用。 然而， 由于受風(fēng)吸力的影響， 下翼緣的穩(wěn)定不能得到有效的保障。 為此， 必須在橫梁的下翼緣加上一根隅撐， 從而起到支撐的作用。

5 門式剛架構(gòu)件設(shè)計(jì)

5.1 剛架設(shè)計(jì)

對于內(nèi)力計(jì)算而言， 采用彈性分析方法， 對門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。 如果采用塑性法，那么鋼架的梁、 柱都應(yīng)該是等截面， 而且在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)， 應(yīng)以剛架為平面結(jié)構(gòu)， 以防止產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)[9]。 一般采用桿系單元有限元方法， 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。 在此基礎(chǔ)上， 將梁、 柱等按不同的形式劃分為不同的斷面， 以不同的幾何特征作為開放的形式， 或采用楔形單元， 通過底部剪切法進(jìn)行地震影響分析， 可以選用位移法、 力法等結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行校驗(yàn)修正。

5.2 墻梁設(shè)計(jì)

墻體梁的斷面形狀通常為冷彎型槽鋼， 也可使用Z型鋼板。 墻梁的自重、 墻體材料、 橫向風(fēng)荷載均為雙向彎曲。 壁板通常是與檁條連接， 后檁條與鋼柱固定， 墻體的重量最終由鋼柱傳遞到地基上。在使用有槽型斷面的墻梁時(shí)， 為了方便墻體和剛架立柱的銜接， 應(yīng)將槽口放在上面， 而在單一的窗框下緣處， 應(yīng)將槽口向下放置。 墻梁的布置要盡可能等距， 墻體上沿、 下沿處各有一根橫梁。 為減小豎向荷載作用， 控制墻梁豎向變形， 可以在墻體上加拉條， 最上面的墻梁用斜拉條把拉力傳遞到鋼架柱，其布置原理與檁條基本一致[10]。

6 門式剛架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的幾點(diǎn)內(nèi)容

6.1 選擇最優(yōu)化截面

門式剛架結(jié)構(gòu)常用的是實(shí)腹梁和柱體， 梁柱截面的變化主要受內(nèi)力影響， 而截面的存儲往往受變形影響。 腋梁是橫梁的最佳選擇， 其截面組成為最大斷面高度。 在沒有起重機(jī)的情況下， 進(jìn)行施工的輕鋼結(jié)構(gòu)工廠， 柱截面和梁截面之間的關(guān)系要協(xié)調(diào)好， 利用梁、 柱截面間的相互關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)省鋼材成本的目的。 在剛架截面受變形嚴(yán)重影響的情況下， 采用剛架和梁段的連接調(diào)整程序，可以得到最小的鋼材用量。 窮竭法是一種常用的方法， 其結(jié)果表明， 通過對不同因素的影響， 可以得出不同參數(shù)下， 實(shí)際截面優(yōu)化數(shù)據(jù)的計(jì)算次數(shù)與鋼材數(shù)量的關(guān)系。 當(dāng)某一特定的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)完成后，由設(shè)計(jì)者根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力大小， 對斷面尺寸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。 這種最優(yōu)截面優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量相對較小，保證構(gòu)件平面外部穩(wěn)定問題。

6.2 選擇最優(yōu)化梁柱節(jié)點(diǎn)

在輕門式剛架房中， 梁柱節(jié)點(diǎn)一般都是采用端板連接的形式。 在端板的連接方式上， 可以分為三種， 包括端板的豎放、 斜放、 以及平放。 在計(jì)算過程中， 主要運(yùn)用物理學(xué)中的自然科學(xué)知識進(jìn)行力學(xué)分析， 以闡明平面端板連接形式的剛度較小是其主要的應(yīng)用理由。 與端板平齊結(jié)構(gòu)相比， 端板端部節(jié)點(diǎn)的受力性能更科學(xué)、 更合理。 在復(fù)雜的計(jì)算之后，端板的垂直連接處的剪力和彎矩都很大， 這就導(dǎo)致了相應(yīng)的變形力的增加， 端板的豎向節(jié)點(diǎn)剛度和端板上的節(jié)點(diǎn)剛度差距， 隨著軸向的增大， 剪力下降[11]。 在這種情況下， 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢將會對梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響， 而且節(jié)點(diǎn)的堅(jiān)固性能也會更好， 從而有效地減少變形的概率。 相對于端板平放式和端板垂直放式， 在梁、 柱截面上具有更大的節(jié)點(diǎn)剛度， 但由于這種方式對操作者的技術(shù)水平有很高的要求，因此其應(yīng)用的頻率很低。 在實(shí)際工程中， 為了減少結(jié)構(gòu)變形的概率， 增加節(jié)點(diǎn)的剛度， 往往采用端板外展式和豎放式。

6.3 選擇合理的柱距

在我國廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 一般將柱間距系數(shù)設(shè)定為3m， 其參照值主要來源于工廠內(nèi)的預(yù)制構(gòu)件。從整體經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看， 立柱間距是否合理直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成敗。 因?yàn)殇摬挠昧渴呛饬吭O(shè)計(jì)質(zhì)量的重要指標(biāo)， 而立柱間距又是鋼材用量的主要因素， 因此二者關(guān)系密切。 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 以預(yù)制鋼筋混凝土為主， 而在現(xiàn)代廠房中， 采用輕質(zhì)層面材料， 并與輕質(zhì)墻體材料相結(jié)合。 這種設(shè)計(jì)與施工方法， 極大地改變了工廠的結(jié)構(gòu)， 解決了基礎(chǔ)深、蓋重、 柱粗等問題， 采用新的柱距， 減少鋼材的用量。 此外， 在實(shí)際的作業(yè)中， 鋼材的用量往往與鋼材的規(guī)格、 品種和標(biāo)準(zhǔn)化程度有關(guān)。

7 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展， 現(xiàn)代化進(jìn)程的加快， 為了適應(yīng)新時(shí)代的新要求， 建筑規(guī)模逐步增大。 在工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中， 常用的門式剛架結(jié)構(gòu)， 其耗鋼量較少，總體重量較輕， 而且成本較低， 能保證整個(gè)廠房的質(zhì)量， 因而被廣泛地采用。 為了有效地保證工廠的質(zhì)量和使用壽命， 必須對其進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。 同時(shí)，對結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)、 結(jié)構(gòu)布置等進(jìn)行了全面的分析，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)問題進(jìn)行改進(jìn)， 以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、 安全性、 可行性和經(jīng)濟(jì)性。