廠(chǎng)房建筑中的輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭志穎

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的快速發(fā)展，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比于其他結(jié)構(gòu)形式而言，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、施工周期短、應(yīng)用效果好，目前在廠(chǎng)房建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，相關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)這一結(jié)構(gòu)形式的研究，不斷提高設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)建筑行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

現(xiàn)階段，我國(guó)在輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與施工方面取得了顯著的成就，在開(kāi)展單層廠(chǎng)房或倉(cāng)庫(kù)類(lèi)建筑施工時(shí)，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)逐漸被取代，主要是由于輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)具有以下5 個(gè)方面的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：①質(zhì)量輕。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，單層輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的用鋼量可以低至到10～30kg/m2。在跨度、荷載相同的條件下，如果采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，那么用鋼量將達(dá)到200～900kg/m2。②施工簡(jiǎn)便且時(shí)間較短。隨著制造工藝與施工工藝的不斷成熟，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)施工時(shí)只需要利用相關(guān)的構(gòu)件進(jìn)行組裝，大大提高了施工速度，可以在短時(shí)間內(nèi)安裝完成。③經(jīng)濟(jì)效益高。設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，因而相較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，能縮短周期。同時(shí)，由于制造材料單一，因而可以提高制造環(huán)節(jié)的自動(dòng)化水平，使得周期大大縮短。當(dāng)設(shè)計(jì)工作結(jié)束之后，將構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地進(jìn)行拼裝。施工期間占用的場(chǎng)地面積較少，運(yùn)輸環(huán)節(jié)也較為便利，因而經(jīng)濟(jì)效益較高[1]。④柱網(wǎng)的布置形式較為靈活。柱間距離應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的承重荷載進(jìn)行確定，在保證安全的條件下，能夠有效的節(jié)省材料。⑤由于施工期間使用的材料主要以鋼材為主，如果做好相應(yīng)的防腐處理，可以實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)使用，進(jìn)而降低了工程建設(shè)成本，同時(shí)也符合可持續(xù)發(fā)展的理念，對(duì)促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

2 結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置

2.1 結(jié)構(gòu)形式

實(shí)際工程中，對(duì)于門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)與工程的實(shí)際情況緊密結(jié)合。根據(jù)工程的實(shí)際需要，可以采用單跨、雙跨與多跨的結(jié)構(gòu)形式。此外，如果按照屋面坡脊數(shù)對(duì)其劃分，可以細(xì)分為3 種不同的結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)渭箚纹?、單脊雙坡、多脊多坡，屋面坡度通常將控制在1/20～1/8。因?yàn)殚T(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的形式、種類(lèi)較為多樣，設(shè)計(jì)時(shí)的選擇余地也較多。如果建筑內(nèi)凈高要求不大（即剛架柱高度不大），且風(fēng)荷載影響不顯著時(shí)，中柱設(shè)計(jì)可以采用兩端鉸接的搖擺柱，在節(jié)省鋼材的同時(shí)還能兼顧安全性方面的要求[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

為提高門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性與穩(wěn)定性，在廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間應(yīng)當(dāng)做好結(jié)構(gòu)布置，結(jié)合建筑的實(shí)際情況與需求，首先要做好縱向溫度分析。通常情況下，縱向溫度區(qū)域范圍主要在300m 之內(nèi)，橫向大多不會(huì)超過(guò)150m。出于經(jīng)濟(jì)型考慮，柱距控制在6～7.5m，必要時(shí)可按9m 設(shè)計(jì)。至于跨度的選擇，可以根據(jù)建筑需求，將跨度合理控制在9～36m，更大跨度的結(jié)構(gòu)是否仍適用門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，還需要具體情況具體分析。

3 輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)從荷載選擇、剛架設(shè)計(jì)、檁條和墻梁設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展工作。

3.1 荷載選擇

3.1.1 永久荷載

永久荷載應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際情況取值，不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小。取值過(guò)大，則實(shí)際屋面并沒(méi)有這些荷載，而這些荷載對(duì)抵抗向上的風(fēng)吸力是有利的，從而會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全。取值過(guò)小，則導(dǎo)致實(shí)際屋面無(wú)法有效承受豎向荷載。另外，根據(jù)建筑所處城市、使用功能的不同，屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法不同會(huì)導(dǎo)致重量存在差異，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具體考慮，不應(yīng)一概而論。

3.1.2 可變荷載

可變荷載是受到外界環(huán)境等因素的影響而導(dǎo)致的。例如，屋面上人荷載、檢修荷載、雪荷載、地震作用等因素，都將影響到可變荷載。在進(jìn)行可變荷載的取值時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際的建筑對(duì)象，重點(diǎn)做好使用量的計(jì)算。

在以往的設(shè)計(jì)中，如果荷載面積超過(guò)了60m2，那么可將這一數(shù)值調(diào)整為0.3kN/m2來(lái)設(shè)計(jì)。2022 年1 月1 日起實(shí)施的《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》中，明確了無(wú)論何種建筑，不上人屋面的最小活荷載應(yīng)按0.5kN/m2取值[3]。該條文將對(duì)現(xiàn)有的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響，總體而言會(huì)提高結(jié)構(gòu)的可靠性，同時(shí)也會(huì)一定程度增加該類(lèi)結(jié)構(gòu)的用鋼量，影響經(jīng)濟(jì)性。

另外，隨著環(huán)保節(jié)能意識(shí)的提升，越來(lái)越多的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房、倉(cāng)庫(kù)等建筑，會(huì)考慮在屋面設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，以滿(mǎn)足《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》的要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分了解建設(shè)單位的需求，以便選擇準(zhǔn)確的荷載，既要保證建筑的安全性，也要保證建筑的經(jīng)濟(jì)性。

3.1.3 荷載組合

荷載組合對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要的影響，一旦組合方式出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)期間應(yīng)當(dāng)結(jié)合相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同類(lèi)型的荷載情況做出合理有效的組合，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性[4]。

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)屬于輕型鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，地震時(shí)吸收的地震力很小，幾乎不構(gòu)成控制構(gòu)件設(shè)計(jì)的主要因素。真正對(duì)門(mén)式剛架設(shè)計(jì)產(chǎn)生控制性影響的往往是風(fēng)荷載。橫風(fēng)吹過(guò)帶坡度的門(mén)式剛架屋頂時(shí)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)向上的力，而門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)自重輕，無(wú)法利用自身重量壓制該風(fēng)吸力，導(dǎo)致柱腳會(huì)產(chǎn)生拉力，這是混凝土結(jié)構(gòu)的房屋從來(lái)無(wú)須考慮的問(wèn)題，故很多設(shè)計(jì)人員往往容易忽視這種拉力對(duì)柱腳設(shè)計(jì)的不利影響。

由于鋼柱通常不會(huì)直接連接在基礎(chǔ)上，而是通過(guò)一節(jié)混凝土短柱來(lái)連接鋼柱和基礎(chǔ)，因此，即便鋼柱柱腳按鉸接設(shè)計(jì)，其水平剪力作用于混凝土短柱上，仍然會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生一個(gè)彎矩。當(dāng)該水平剪力足夠大，或者基礎(chǔ)埋深較深導(dǎo)致混凝土短柱過(guò)長(zhǎng)時(shí)，該傳遞到基礎(chǔ)的彎矩將不容忽視，甚至導(dǎo)致獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生過(guò)大的脫空比，影響結(jié)構(gòu)安全。

在門(mén)式剛架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該重視風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，嚴(yán)格按照規(guī)范以及實(shí)際情況進(jìn)行荷載施加，以確保荷載組合準(zhǔn)確無(wú)誤，起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)的作用。

3.2 結(jié)構(gòu)分析

目前主流的結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)主要采用的是彈性分析方法。由于門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的受力明確，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，該方法可以較為快速地對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力做出合理的、能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)的分析結(jié)果，因此被廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所采用，且能夠經(jīng)得住實(shí)際工程的考驗(yàn)。

3.2.1 主剛架設(shè)計(jì)

剛架設(shè)計(jì)時(shí)，主要使用Q235B 或Q355B 級(jí)鋼材。針對(duì)實(shí)腹式剛架梁，設(shè)計(jì)時(shí)可以取跨度的1/45～1/30。Q355B 的強(qiáng)度大約為Q235B 的1.5 倍，而兩種鋼號(hào)的價(jià)格差距通常在10%左右，遠(yuǎn)小于強(qiáng)度的差距?？梢院苋菀椎乜闯?，Q355B 是主剛架設(shè)計(jì)時(shí)更為合理的選擇。利用PKPM 等結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)同一結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行試算，將鋼柱、鋼梁的應(yīng)力比均控制在0.95 以?xún)?nèi)，分別采用Q235B 和Q355B 兩種鋼材，可以看出Q355B 的用鋼量有顯著的減少，這也證實(shí)了我們前面的分析，Q355B鋼材更為經(jīng)濟(jì)。

3.2.2 檁條和墻梁設(shè)計(jì)

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的檁條和墻梁通常使用C 型、Z 型鋼。開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)荷載的影響。對(duì)于門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，檁條和墻梁設(shè)計(jì)期間應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)荷載的影響，確保其在受到風(fēng)吸力的作用下能夠保持安全狀態(tài)。由于實(shí)際工程中，檁條和墻梁上通常會(huì)存在用于安裝固定的孔位，削弱截面強(qiáng)度，因而在進(jìn)行檁條的計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用有效截面進(jìn)行計(jì)算[5]。

3.2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于梁與梁分段點(diǎn)的選擇，應(yīng)當(dāng)從受力與運(yùn)輸兩個(gè)角度進(jìn)行考慮。針對(duì)柱之間的梁，為改善受力情況，可采用1:2:1 分段設(shè)計(jì)的方式。其中，中間受力較小的一段，可以將其設(shè)計(jì)為等截面梁的形式，兩端位置可以設(shè)計(jì)為楔形梁的形式?？紤]到運(yùn)輸成本，單節(jié)鋼構(gòu)件的長(zhǎng)度最好控制在12m 以?xún)?nèi)。

4 案例分析

4.1 工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房建設(shè)期間，經(jīng)過(guò)方案對(duì)比最終決定采用輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)體系。該廠(chǎng)房建筑的內(nèi)部空間相對(duì)較大，長(zhǎng)度為90m，寬度為50m。主剛架擬采用焊接H 型鋼，鋼板的表面進(jìn)行鍍鋅處理。廠(chǎng)房預(yù)計(jì)使用50 年，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展廠(chǎng)房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要從剛架設(shè)計(jì)、支撐設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面著手進(jìn)行。

（1）主剛架設(shè)計(jì)。主剛架采用的是兩跨的形式，即雙跨門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)。每一跨的跨度尺寸為25m，柱距設(shè)計(jì)為7.5m。主剛架主要由剛架梁、邊柱以及中柱3 個(gè)部分構(gòu)成。邊柱的下端采用鉸接的方式，上端和剛架梁進(jìn)行剛接處理。由于當(dāng)?shù)仫L(fēng)荷載不大，故中柱的兩端均采用鉸接的方式，即搖擺柱。前期設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的彎矩分布情況的分析，邊柱與剛架梁可采用變截面楔形構(gòu)件，彎矩較大的位置采用截面高度較大的一端，另一端則反之。這一設(shè)計(jì)方式能起到節(jié)約鋼材的作用。結(jié)合門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，由于平面范圍內(nèi)通常是較大跨度，對(duì)邊柱、梁的剛度要求較高，因此，采用焊接H 型鋼截面形式，強(qiáng)軸設(shè)置在面內(nèi)，以發(fā)揮H 型鋼截面最大的優(yōu)勢(shì)[6]。此外，中柱采用的是搖擺柱，僅受軸向壓力作用，因此只需要滿(mǎn)足長(zhǎng)細(xì)比和壓桿穩(wěn)定性的要求即可，能減少用鋼量。

（2）側(cè)向支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相鄰兩榀剛架之間采用圓管截面系桿進(jìn)行支撐。由于系桿與剛架之間的連接通常為鉸接，若只靠系桿，那么結(jié)構(gòu)支撐體系是不完整的，從概念上來(lái)說(shuō)，至少需要在其中兩榀剛架之間，增設(shè)十字斜撐，以使這兩榀剛架連同系桿、斜撐形成桁架，作為結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件。柱間支撐對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的影響如圖1 所示。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常不會(huì)只在其中兩榀剛架設(shè)置十字斜撐，一般在首尾的第一或第二個(gè)柱距范圍內(nèi)設(shè)置，中間則按45m 設(shè)置一道。

圖1 柱間支撐對(duì)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的影響

（3）屋面檁條設(shè)計(jì)。采用的檁條的跨度為7.5m，使用了Z 形的型鋼檁條。將整個(gè)檁條分為3 段，每個(gè)3 分點(diǎn)位置處，分別設(shè)置了1 道拉條。其中，拉條的直徑為12mm，采用的是圓鋼材料。此外，在屋脊和檐口的位置設(shè)計(jì)剛性撐桿，在原有12mm 拉條的外面增設(shè)了截面尺寸為φ32mm×2.0mm 圓管。為了提高鋼梁下翼緣的穩(wěn)定性，在每間隔1 道屋面檁條的位置，分別設(shè)置一道隅撐。該處采用的為連續(xù)檁條，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約鋼材，缺點(diǎn)是安裝工藝復(fù)雜。雖然連續(xù)檁條之間需要搭接，且螺栓須采用高強(qiáng)螺栓，但連續(xù)檁條能將彎矩傳遞到相鄰檁條，受力更為合理可靠，能充分利用構(gòu)件的強(qiáng)度，起到節(jié)約鋼材的目的。如果設(shè)計(jì)時(shí)希望安裝方便，節(jié)約工期，則可以考慮設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)支檁條。采用簡(jiǎn)支檁條時(shí)一般選取C 形的型鋼檁條，有利于安裝，但用鋼量較高。

（4）抗風(fēng)柱及墻梁設(shè)計(jì)?？癸L(fēng)柱采用焊接H 型鋼，柱腳鉸接，柱頂與鋼梁采用滑動(dòng)支座連接，以避免鋼梁由于豎向變形對(duì)抗風(fēng)柱的壓力導(dǎo)致的附加應(yīng)力。實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用開(kāi)長(zhǎng)圓孔加安裝螺栓的方式，或者采用簧片連接。墻梁設(shè)計(jì)類(lèi)似于屋面檁條設(shè)計(jì)，此處不再贅述。

（5）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中，鋼柱柱腳通常采用鉸接，剛架斜梁與柱之間一般使用端板豎放的方式，少數(shù)為了安裝方便可采用端板橫放。端板兩側(cè)間采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行緊密的連接。檁條或墻梁通常與預(yù)先焊在鋼柱或鋼梁上的檁托連接，若采用連續(xù)檁條，則應(yīng)該采用高強(qiáng)螺栓連接，簡(jiǎn)支檁條則可以采用普通安裝螺栓。

5 結(jié)語(yǔ)

輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)由于自重輕、施工便利，且有著良好的經(jīng)濟(jì)性，因而在目前的廠(chǎng)房建筑設(shè)計(jì)、施工中有著較為廣泛的應(yīng)用。在開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，首先要對(duì)廠(chǎng)房建筑的實(shí)際需求做出分析，結(jié)合具體情況，選用合理的結(jié)構(gòu)形式。其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)做好結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置工作。具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格控制對(duì)荷載的選擇，并落實(shí)對(duì)剛架的節(jié)點(diǎn)、檁條以及柱、梁的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要注重墻梁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。