張華

0 引言

相對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)，輕型門(mén)式鋼結(jié)構(gòu)采用了輕型材料，自重較輕，一般情況下地震作用不控制設(shè)計(jì)，材質(zhì)均勻，應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確可靠，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，主鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)相對(duì)較低，圍護(hù)板采用壓型鋼板，通過(guò)一定方式固定在檁條或者墻梁這樣的次結(jié)構(gòu)上，兩者的結(jié)合使壓型鋼板在其平面內(nèi)具有很好的蒙皮抗剪強(qiáng)度，與次結(jié)構(gòu)連接后具有較好的空間整體性和穩(wěn)定能力;另外，在制作過(guò)程中工業(yè)化生產(chǎn)程度高，施工速度快，對(duì)環(huán)境的污染小，因此受到建設(shè)單位的普遍歡迎。在方案及施工圖設(shè)計(jì)階段，一般可分為如下幾部分。

1 確定結(jié)構(gòu)形式，選擇經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案

CECS 102-2002中規(guī)定門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的縱向溫度區(qū)段不大于300 m，橫向溫度區(qū)段不大于150 m，當(dāng)超過(guò)此規(guī)定時(shí)，應(yīng)設(shè)置伸縮縫。當(dāng)遇到超長(zhǎng)、超寬的輕鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅應(yīng)設(shè)置伸縮縫和相應(yīng)的支撐加強(qiáng)房屋的整體剛度，還應(yīng)注意考慮屋面排水要求(屋面坡度不應(yīng)小于5%)，防止屋面板長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)引起的滲漏問(wèn)題以及房屋通風(fēng)采光問(wèn)題。

通常的經(jīng)濟(jì)用鋼跨度和剛架間距，是僅從總用鋼量最少的角度來(lái)討論的。無(wú)橋式吊車(chē)和懸掛吊車(chē)時(shí)，剛架的經(jīng)濟(jì)跨度約為21 m～24 m，大于36 m就不經(jīng)濟(jì)了;當(dāng)有橋式吊車(chē)時(shí)，其經(jīng)濟(jì)跨度大概在30 m～34 m之間。有橋式吊車(chē)時(shí)的經(jīng)濟(jì)跨度反而大于無(wú)橋式吊車(chē)時(shí)的經(jīng)濟(jì)跨度，主要是因?yàn)榈踯?chē)梁的用鋼量在主結(jié)構(gòu)(剛架與吊車(chē)梁)中所占比重隨剛架跨度增加而減少。門(mén)式剛架的間距通常采用6 m，7.5 m，9 m，12 m等，大跨度剛架宜采用大間距，跨度與間距的比一般以3.5～5為宜。無(wú)橋式吊車(chē)時(shí)，剛架間距以7.5 m～9 m為宜，有橋式吊車(chē)或較大的懸掛荷載的單層門(mén)式剛架，剛架間距以6 m～7.5 m為宜。

2 根據(jù)體系特征進(jìn)行支撐布置

門(mén)式剛架是一種平面受力結(jié)構(gòu)形式，只能抵抗平面內(nèi)的各種荷載作用。剛架平面外的荷載需要靠各種支撐體系去解決，這就需要合理的布置屋蓋橫向水平支撐和柱間支撐，支撐與剛架連在一起組成空間穩(wěn)定的建筑體系結(jié)構(gòu)，并解決剛架構(gòu)件平面外剛度和穩(wěn)定的問(wèn)題。支撐的布置應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)橫向水平支撐宜布置在每一個(gè)溫度區(qū)段兩端的第一開(kāi)間內(nèi)，若考慮將氣樓、天窗的端部支撐布置在同一開(kāi)間內(nèi)，可將橫向水平支撐移至第二個(gè)開(kāi)間，但必須將所有支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第一開(kāi)間的縱向系桿設(shè)計(jì)成傳力的剛性系桿;

2)屋蓋橫向水平支撐與柱間支撐宜設(shè)在同一開(kāi)間，如因開(kāi)門(mén)洞等原因，柱間支撐不能與屋蓋橫向水平支撐同處一開(kāi)間，可移至相鄰開(kāi)間，在其偏移的開(kāi)間處增設(shè)一較強(qiáng)的剛性系桿使屋蓋水平力得以順利通過(guò)柱間支撐傳至基礎(chǔ);

3)若各區(qū)間的屋面不在同一高度，為保證每個(gè)高度的屋面區(qū)域形成獨(dú)立的平面剛體，應(yīng)針對(duì)每個(gè)高度的屋面區(qū)域分別設(shè)置橫向水平支撐;

4)不同剛度的支撐不應(yīng)處于同一縱向柱列中。支撐有幾種常用的形式，首先，交叉式支撐這種形式最為經(jīng)濟(jì)合理;其次，為人字撐，但此時(shí)斜桿按壓桿設(shè)計(jì)，需考慮穩(wěn)定，因此用鋼量增加;若設(shè)置支撐的開(kāi)間大，可將壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)成桁架式;若無(wú)斜桿，則是完全的門(mén)式支撐，此時(shí)要靠梁—柱剛性連接構(gòu)成受力體系，即依靠節(jié)點(diǎn)的抗剪切構(gòu)成支撐的剛度，此時(shí)構(gòu)件變形最大，剛度最低，用鋼量最大，應(yīng)避免使用。

當(dāng)?shù)踯?chē)噸位較大、橫向位移要求較嚴(yán)、剛架平面內(nèi)剛度突變、剛架柱間設(shè)有墻架柱或者近海、臺(tái)風(fēng)區(qū)、超高、超大跨度剛架、建筑平面不規(guī)則、剛架間距過(guò)大等情況時(shí)，要綜合情況考慮設(shè)置屋蓋橫向及縱向水平支撐。

3 主要構(gòu)件截面初估

支撐布置結(jié)束后，需對(duì)剛架截面作初步的估算，鋼梁可以選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼等截面。根據(jù)荷載與支座的情況，其截面高度通常為跨度的1/20～1/50;翼緣的寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，可回避鋼梁整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估，通常50＜λ＜150，簡(jiǎn)單選擇值在100附近。在鋼柱的計(jì)算長(zhǎng)度選擇上，經(jīng)常需考慮到外部其他結(jié)構(gòu)對(duì)鋼柱的平面外約束作用。比如說(shuō)四周采用磚墻圍護(hù)墻的結(jié)構(gòu)，有的設(shè)計(jì)者考慮到圈梁里的拉結(jié)筋和鋼柱外皮焊接固定，屬可靠連接，故可以作為鋼柱的平面外支點(diǎn)，但實(shí)際工程中卻很難達(dá)到理想狀態(tài)，原因有兩點(diǎn)：1)即使混凝土圈梁對(duì)鋼柱有約束作用，其作用點(diǎn)一般在鋼柱的外皮，而鋼柱主要是內(nèi)側(cè)受壓，故效果不佳;2)因圍護(hù)磚墻、混凝土和鋼構(gòu)件屬于完全不同的材料，在荷載最不利情況下，磚墻、混凝土可能會(huì)較早開(kāi)裂，使鋼柱失去側(cè)向約束，最終引起平面外失穩(wěn)。因此，應(yīng)盡量采用設(shè)置柱間系桿的方式來(lái)減少柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度。

4 結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)件優(yōu)化

目前通常的輕鋼門(mén)式結(jié)構(gòu)分析方法為線彈性分析法。眾多的結(jié)構(gòu)分析軟件為精確的分析模型提供了便利條件。構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)果文件的輸出做工程判定，首先考慮材料的選擇。目前門(mén)鋼中常用的是Q235和Q345(類似16Mn)材質(zhì)，通常主結(jié)構(gòu)采用同一材質(zhì)便于工程管理，建模分析時(shí)，可根據(jù)起控制作用的因素選擇，強(qiáng)度起控制作用時(shí)，采用Q345，穩(wěn)定起控制作用時(shí)，采用Q235。當(dāng)工程出于經(jīng)濟(jì)考慮時(shí)，也可選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。

構(gòu)件細(xì)部?jī)?yōu)化時(shí)，可參照?qǐng)D形文件輸出結(jié)果。如可以根據(jù)彎矩包絡(luò)圖確定變截面的分布;剪力圖控制腹板高度;根據(jù)撓度和位移圖可選擇增加梁柱截面高度來(lái)限制變形等。當(dāng)構(gòu)件強(qiáng)度超限時(shí)，通常加大組成截面的板件厚度，其中抗彎強(qiáng)度不滿足加大翼緣厚度，抗剪強(qiáng)度不滿足加大腹板厚度;當(dāng)變形超限時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)，通?？紤]加大截面高度而不是厚度;當(dāng)腹板高厚比不滿足時(shí)，根據(jù)規(guī)范增加構(gòu)造措施達(dá)到要求。若整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定等多方面超限，則應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇修改模型重新分析。

5 主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及圍護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)

按照傳力的特性不同，節(jié)點(diǎn)分為剛接、鉸接和半剛接，因剛接與半剛接的界限不易區(qū)分，初學(xué)者可以選擇能簡(jiǎn)單定量分析的剛接與鉸接兩種形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，就應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)形式做充分的思考和確定，保證結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)連接的使用形式與結(jié)構(gòu)分析時(shí)一致。另外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還宜綜合考慮制造工廠的工藝水平及現(xiàn)場(chǎng)安裝定位方便等因素。

主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入到支撐體系及圍護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，一般簡(jiǎn)稱為次構(gòu)件設(shè)計(jì)。次構(gòu)件一般為受力單一的簡(jiǎn)單構(gòu)件，可借助軟件工具，亦可通過(guò)手算進(jìn)行分析。

6 圖紙的編制

鋼結(jié)構(gòu)圖紙的編制分為設(shè)計(jì)圖和施工圖兩個(gè)階段。設(shè)計(jì)圖為設(shè)計(jì)單位編制;施工圖通常由制造公司根據(jù)設(shè)計(jì)圖編制。設(shè)計(jì)圖是加工圖編制的依據(jù)，在滿足規(guī)范要求時(shí)還應(yīng)盡量完整;對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)、荷載資料(包括地震作用)、技術(shù)數(shù)據(jù)、材料選用及材質(zhì)要求(包括制造和安裝、焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)等級(jí)、涂裝及運(yùn)輸?shù)?也要表示清楚。

［1］ 陳友泉，魏潮文.門(mén)式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工疑難問(wèn)題釋義［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：33，66.

［2］ 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南［M］.第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］ 戴素娟，李海娟.門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)中支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)探討［J］.山西建筑，2010，36(15)：37-38.