陳光明，楊 科

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系是近年來在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。該類建筑是用等截面或變截面焊接H型鋼作為梁柱構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)用螺栓或焊接拼裝形成門式剛架作為主要承重結(jié)構(gòu)，以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱，以彩鋼板作為屋面板及墻板，再配以支撐系統(tǒng)、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系，即門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系可以在工廠批量生產(chǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)按要求拼裝形成。能有效的利用材料，構(gòu)件截面小、自重輕、抗震性能好，施工安裝方便，建設(shè)周期短。能夠形成大空間、大跨度，具有外表美觀、適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、易維護(hù)等特點(diǎn)。

本文以溪洛渡水電站機(jī)電倉庫為例，從設(shè)計(jì)角度對(duì)輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn)進(jìn)行闡述，分析總結(jié)了單層門式剛架廠房的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和注意事項(xiàng),并提出自己的看法，希望能供同行們?cè)谔幚眍愃茊栴}時(shí)參考。

2 工程概況

溪洛渡水電站機(jī)電倉庫，位于溪洛渡電站右岸，其結(jié)構(gòu)長度168m、寬72m，柱距6m、柱高10.5m，單跨24m，三連跨雙坡屋面，坡度1∶20;倉庫內(nèi)每跨布置1臺(tái)16T的橋式起重機(jī)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，第一組，合理使用年限為50年。

3 結(jié)構(gòu)方案布置

3.1 柱網(wǎng)和軸線布置

柱網(wǎng)布置與投資費(fèi)用直接關(guān)系，若合理布置柱網(wǎng)，將會(huì)獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)已有的工程實(shí)例，隨著柱距的增大，剛架用鋼量比例是逐步下降的；但當(dāng)柱距增大到一定的數(shù)值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩。而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大先下降而后上升。一般情況下，最佳柱距是6～9m，如果柱距大于9m，屋面檁條和墻架體系的用鋼量將明顯增多，從而加大成本?？紤]到本工程有較大的吊車荷載，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)取用較小的經(jīng)濟(jì)柱距為6m。工程平面布置見圖1。

3.2 剛架的形式和受力特點(diǎn)

剛架的梁、柱截面有實(shí)腹式與格構(gòu)式、變截面與等截面之分。梁跨度較大時(shí)，宜在梁柱節(jié)點(diǎn)和彎矩較大處加腋，加腋長度一般為跨度的1/8～1/10較為經(jīng)濟(jì)。一般情況下，梁、柱采用變截面形式，但本工程倉庫內(nèi)布置有吊車，柱則采用實(shí)腹式等截面工字型，梁采用變截面，如圖2所示。

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，設(shè)計(jì)中可采用三鉸門式剛架、兩鉸門式剛架和無鉸門式剛架，各具特點(diǎn)。三鉸剛架即柱腳、屋脊均為鉸接，剛度較差，結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，變形及不均勻沉降均不產(chǎn)生附加內(nèi)力，適用于小跨度和基礎(chǔ)性能差的工程建筑；兩鉸剛架即柱腳與基礎(chǔ)鉸接，結(jié)構(gòu)內(nèi)力大于無鉸剛架，但基礎(chǔ)不承受彎矩，設(shè)計(jì)、施工簡單，柱腳不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力；無鉸剛架即柱腳與基礎(chǔ)固接，三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度好，內(nèi)力分布均勻，柱底有彎矩，對(duì)地基與基礎(chǔ)要求高，地基不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。門式剛架的柱腳多按鉸接支承設(shè)計(jì)，通常為平板支座，設(shè)一對(duì)或兩對(duì)地腳螺栓；當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5t 以上橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。因本工程中布置了16T橋式吊車，且地質(zhì)條件較好，故柱腳按剛接設(shè)計(jì)。

圖1 柱網(wǎng)平面布置示意

圖2 剛架的梁、柱截面布置示意

4 計(jì)算模型與內(nèi)力分析

4.1 計(jì)算模型

對(duì)于大多數(shù)廠房而言，由于其長寬比較大，結(jié)構(gòu)最不利方向比較明顯，且橫向主剛架采用剛接，縱向采用剛性系桿等構(gòu)件鉸接連接，通過設(shè)置支撐來形成幾何不變體系， 所以多采用二維平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析； 而對(duì)于一些長寬比較小的廠房，如果縱向采用支撐桁架來連接，剛架兩個(gè)方向剛度相差不大， 此時(shí)結(jié)構(gòu)形式已接近框架結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算。本工程長寬比達(dá)到了2.3，且縱向連接較弱，故采用二維平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，整個(gè)計(jì)算通過中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM軟件STS模塊完成，計(jì)算模型如圖3所示。

4.2 永久荷載

永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等；還包括懸掛的附加永久物體重量，如噴淋系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備、通風(fēng)管道等。設(shè)計(jì)時(shí)需充分分析考慮而不可遺漏。

圖3 二維平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.3 可變荷載

4.3.1 屋面活荷載

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)采用壓型鋼板的輕型屋面時(shí)，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0.5kN/m2(如檁條等構(gòu)件的設(shè)計(jì))，但對(duì)受荷水平投影面積大于60m2的主剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3 kN/m2。本工程活荷載取0.3 kN/m2。

4.3.2 風(fēng)荷載

按照《民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))》(2003版)，對(duì)于跨高比L/h小于等于4的門式剛架應(yīng)按GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK及風(fēng)荷載體形系數(shù)μs， 不考慮風(fēng)振系數(shù)βz，但當(dāng)跨高比L/h大于4 的門式剛架及房屋所有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK宜按CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》取用。本工程跨高比為2.28，小于4，故按荷載規(guī)范的公式：WK=βzμsμzWo，在確定本工程基本風(fēng)壓Wo時(shí)，考慮到工程所在地的基本風(fēng)壓值在GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》全國基本風(fēng)壓圖上沒有給出，于是根據(jù)當(dāng)?shù)啬曜畲箫L(fēng)速25m/s，并依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》條文解釋7.1.2中公式Wo=Vo2/1 600計(jì)算;得到Wo=0.4kN/m2。與荷載規(guī)范中雷波的基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2(n=50年)比較,再考慮建筑物地處河谷地段，風(fēng)速較大，確定根據(jù)計(jì)算取基本風(fēng)壓0.4 kN/m2。

4.4 地震作用

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.2.5條，風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。由于單層門式剛架質(zhì)量較輕，地震反應(yīng)較小，在不大于7度區(qū)的地方，廠房的整體計(jì)算通常由風(fēng)、雪、活荷載控制，因此在這些地方，一般不需作剛架的抗震驗(yàn)算,但本工程抗震設(shè)防烈度為8度，地震卻是控制因素，風(fēng)荷載與地震荷載引起的節(jié)點(diǎn)位移比較見圖4、5所示。

4.5 變形驗(yàn)算

相對(duì)于強(qiáng)度驗(yàn)算，單層門式剛架廠房的變形驗(yàn)算往往容易忽視。剛架的變形驗(yàn)算時(shí)應(yīng)注意,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可不考慮螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面計(jì)算。剛架的變形驗(yàn)算主要包括剛架柱頂位移和剛架梁的撓度驗(yàn)算兩個(gè)方面，具體要求見表 1。本工程控制性工況變形驗(yàn)算結(jié)果如圖5、6所示。其柱頂最大位移25.3mm，梁最大擾度92.8mm,均滿足規(guī)范要求。

表1 剛架變形驗(yàn)算的具體要求

注：表中h為剛架柱高度，L為剛架梁的跨度。

圖4 左風(fēng)(標(biāo)準(zhǔn)值)節(jié)點(diǎn)位移(mm)

圖5 左地震作用節(jié)點(diǎn)位移(標(biāo)準(zhǔn)值)(mm)

圖6 鋼梁絕對(duì)撓度(恒+活)(mm)

5 支撐體系的布置

本工程長度達(dá)到了168m，屬于溫度區(qū)段較長型，且布置有吊車，按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中支撐布置原則，通過設(shè)置橫向支撐和柱間支撐將整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段的長度大約在48～54m之間，端部支撐設(shè)在第二個(gè)開間，在第一個(gè)開間的相應(yīng)位置設(shè)置剛性系桿，以使風(fēng)荷載得到傳遞，在設(shè)置柱間支撐的開間,同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向支撐,以構(gòu)成幾何不變體系。

本工程高度達(dá)到了10.5m，屬于房屋高度較高型,故柱間支撐分層設(shè)置，且分層位置與牛腿位置相結(jié)合。本工程房屋寬度達(dá)到了72 m ,整體剛度較弱，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮在內(nèi)柱列也設(shè)置支撐。同時(shí)為加強(qiáng)房屋支撐體系的整體性能，在剛架的轉(zhuǎn)折處、邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂均沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。本工程的剛性系桿均采用組合角鋼，支撐則采用型鋼，以提高房屋的整體抗震性；支撐的設(shè)置角度控制在30°～60°范圍內(nèi)，接近45°。

6 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

門式剛架梁柱節(jié)點(diǎn)通常作為剛接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，梁柱連接和拼接節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)螺栓的端板連接節(jié)點(diǎn)，實(shí)踐證明，端板連接是最為經(jīng)濟(jì)的連接形式，比通常的腹板-翼緣拼接節(jié)省材料和緊固件，且現(xiàn)場(chǎng)拼接連接方便。端板的放置方式通常有3種形式：豎放、平放和斜放。本工程采用端板豎放的形式，保證端板的連接螺栓大多分布于翼緣的兩側(cè)，既能充分利用螺栓的承載能力，又能減少螺栓的用量。在節(jié)點(diǎn)區(qū)域還設(shè)置了抗剪加勁肋，以減小節(jié)點(diǎn)的剪切變形，起到增大節(jié)點(diǎn)剛度的作用。

7 檁條設(shè)計(jì)

檁條采用冷彎薄壁型鋼, 由于其自由扭轉(zhuǎn)剛度小, 而且大多數(shù)截面剪心與形心不重合, 構(gòu)件中會(huì)存在彎曲與扭轉(zhuǎn)的共同作用，彎扭屈曲是其常見的破壞形式, 必須在設(shè)計(jì)中予以防止。除了采用更好的截面形式雙軸對(duì)稱、閉合構(gòu)件外, 常見的構(gòu)造措施還有增加支座和跨中處的側(cè)向支承。根據(jù)計(jì)算，本工程檁條采用C160×60×2×2.5,檁條間距1.5m，為方便連接，檁條按簡支構(gòu)件設(shè)計(jì)；為防止構(gòu)件扭轉(zhuǎn)變形，構(gòu)造上設(shè)檁托、加勁肋、撐桿、隅撐等。另外, 筆者認(rèn)為在計(jì)算檁條時(shí)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk按CECS102:2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定計(jì)算更能符合實(shí)際；為避免造成施工中的不便，本工程未采用雙層拉條，而是采用通過驗(yàn)算檁條在風(fēng)吸力組合作用下下翼緣受壓時(shí)的穩(wěn)定。

8 結(jié)束語

單層門式剛架廠房的應(yīng)用日益廣泛，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的分析總結(jié)是過去的終點(diǎn)，同時(shí)也是今天的起點(diǎn)。本文簡單論述了門式剛架設(shè)計(jì)中一些需要注意的問題，以求做到設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用，確保質(zhì)量。

[1] 邱喜佳.門式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾個(gè)值得注意問題的探討[J].四川建材，2007(1).

[2] 蘭英.淺談?shì)p型門式剛架結(jié)構(gòu)[J].山西建筑，2008(29).

[3] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)[R].2002.