段海燕

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)屬于一種輕型鋼架結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程的實(shí)際情況，充分掌握門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、適用范圍、結(jié)構(gòu)形式等，同時(shí)，還需要對(duì)門(mén)式剛架的塑性設(shè)計(jì)與計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和支撐布置等方面的知識(shí)有充分的了解。

關(guān)鍵詞：門(mén)式鋼架；輕鋼結(jié)構(gòu)；廠房結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 發(fā)展及應(yīng)用范圍

門(mén)式剛架輕鋼房屋主要由剛架斜梁、剛架柱、抗風(fēng)柱、支撐系統(tǒng)、檁條、墻梁、鋼系桿、墻面及屋面壓型鋼板等組成，通過(guò)螺栓、焊接、自攻釘將其有效的組成三維空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有效地抵抗豎向及水平荷載。其具有傳力直接，抗震性能好，加工制作方便，施工周期短，用鋼量低等特點(diǎn)。門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)起源于20世紀(jì)初的美國(guó)，早期應(yīng)用于家庭車庫(kù)、臨時(shí)營(yíng)房等簡(jiǎn)易建筑，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本較低、易拆裝，受到人們青睞，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系及施工工藝開(kāi)始了早期發(fā)展。20世紀(jì)60年代，鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)及噴漆技術(shù)有了較大發(fā)展，市面上出現(xiàn)了 H 型鋼及冷彎薄壁型鋼，用于屋面及墻面的壓型鋼板色彩更加豐富，耐久性更好，這些極大的推動(dòng)了門(mén)式輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸成為大型工業(yè)廠房、民用單層商場(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)房、體育場(chǎng)館等建筑的首選結(jié)構(gòu)體系。

我國(guó)門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)起步于20世紀(jì)70年代，前期由于整體工業(yè)水平較低，鋼構(gòu)件稀缺，發(fā)展很緩慢。隨著改革開(kāi)放，鋼鐵產(chǎn)能大幅提升，鋼結(jié)構(gòu)制作產(chǎn)品的多樣化，焊接 H 型鋼、壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼相繼大批量生產(chǎn)，在這種背景下，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)，伴隨著《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102 ：98）頒布實(shí)施，門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—加工—建造均有規(guī)可循，該結(jié)構(gòu)體系被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的建筑物中。

2 工業(yè)廠房門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 基礎(chǔ)構(gòu)建設(shè)計(jì)

（1）墻架構(gòu)件設(shè)計(jì)。通常選取卷邊槽形、Z 形冷彎薄壁型鋼作為輕型墻體結(jié)構(gòu)墻梁。可選取簡(jiǎn)支、連續(xù)構(gòu)件的方式設(shè)計(jì)墻梁，并在剛架柱上支承其 2 端。如墻梁具備相應(yīng)豎向承載力及墻板落地或緊密連接墻板時(shí)，無(wú)需進(jìn)行中間柱設(shè)置，并要對(duì)其自重產(chǎn)生的彎矩、剪力等進(jìn)行充分考慮。如墻板與墻梁自身重量需墻梁承受，則需對(duì)雙向彎曲工況加以考慮。當(dāng)4m～6m為墻梁跨度，可將拉條設(shè)置于跨中位置；如跨度在6m以上，需將拉條分別設(shè)置于跨間三分點(diǎn)位置。通常將斜拉條設(shè)置于最上層墻梁位置，以此向承重柱、墻架柱等位置傳遞拉力。

（2）支撐體系設(shè)計(jì)。輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的鋼排架側(cè)向剛度相對(duì)較弱，為了抵抗水平風(fēng)荷載、吊車剎車荷載和地震作用，應(yīng)在設(shè)置柱間支撐的開(kāi)間同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系，柱間支撐最好設(shè)置在溫度區(qū)段端部的第一個(gè)開(kāi)間內(nèi)。柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)建筑的柱距、吊車情況和安裝條件確定，一般無(wú)吊車的工業(yè)建筑柱間支撐間距不宜超過(guò)45m，有吊車的工業(yè)建筑柱間支撐間距不宜超過(guò)60m。

（3）屋面板與墻板設(shè)計(jì)：壓型鋼板為門(mén)式剛架屋面、墻面最常用的材料，選取預(yù)涂層彩色鋼板進(jìn)行壓型鋼板的制作，0.4mm～1mm為其厚度。

2.2 建筑尺寸

通常情況下門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)該滿足下列規(guī)定：

第一，門(mén)式剛架的跨度取值標(biāo)準(zhǔn)為，橫向剛架柱軸線間的距離。

第二，門(mén)式剛架的高度的取值標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是地坪至柱軸線與斜梁軸線交點(diǎn)的高度，具體需按使用要求內(nèi)凈高來(lái)確定。

第三，在柱的軸線選擇上，可以通過(guò)柱下端中心豎向軸線，而斜梁的軸線則可通過(guò)變截面梁段的最小端中心、斜梁上表面平行軸線。

第四，門(mén)式剛架輕型房屋的檐口高度，應(yīng)該按照地坪至房屋外側(cè)檁條上緣的高度來(lái)確定，其最大高度由地坪至屋蓋頂部檁條上緣高度來(lái)決定，而房屋側(cè)墻墻梁的外皮之間距離，則為寬度應(yīng)取的距離，長(zhǎng)度則按照兩端山墻墻梁外皮之間距離作為標(biāo)準(zhǔn)取值。通常來(lái)說(shuō)，門(mén)式剛架的跨度應(yīng)該為9m～36m，如果邊柱的寬度不等，那就需要把外側(cè)對(duì)齊。而一般的高度應(yīng)該在4.5m～9.0m 之間，如果有橋式吊車時(shí)，就不能超過(guò)12m。間距，一般要采用6m～9m。挑檐長(zhǎng)度可根據(jù)使用要求確定，但是通常是在為0.5m～1.2m之間取值，其上翼緣坡度宜與斜梁坡度相同。

2.3 結(jié)構(gòu)平面布置

首先，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長(zhǎng)度必須要滿足這兩個(gè)規(guī)定：第一，縱向溫度區(qū)段不大于300m；第二，橫向溫度區(qū)段不大于150m。當(dāng)然，這只是參照值，如果有計(jì)算依據(jù)和需要時(shí)，溫度區(qū)段長(zhǎng)度可根據(jù)工程的實(shí)際需要適當(dāng)加大。

其次，在多跨剛架局部抽掉中間柱，或者邊柱處需要考慮布置托架梁。

再次，屋面檁條的布置應(yīng)考慮天窗、屋面材料、采光帶、通風(fēng)屋脊、檁條供貨規(guī)格等因素的影響，屋面壓型鋼板厚度和檁條間距應(yīng)按計(jì)算確定。

最后，門(mén)式剛架中柱的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)采用搖擺柱，搖擺柱的兩端主要是采用鉸接的方式，構(gòu)造極為簡(jiǎn)單，受力也相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.4 剛架節(jié)點(diǎn)

門(mén)式剛架柱腳宜按鉸接設(shè)計(jì)，工程上經(jīng)常使用平板錨栓式鉸接柱腳。當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5t以上橋式吊車時(shí)或未設(shè)置柱間支撐時(shí)，應(yīng)將柱腳設(shè)計(jì)成剛接，常見(jiàn)的剛接做法有錨栓式、插入杯口式。柱腳錨栓不宜承受柱腳底部水平力，柱底剪力較小時(shí)可利用柱底板與砼面摩擦傳遞，剪力較大時(shí)應(yīng)在平板底部設(shè)置抗剪鍵承受。一般剛架邊柱與斜梁剛性連接，中柱與斜梁多采用鉸接，對(duì)于柱頂位移限制嚴(yán)的情況（帶有駕駛室的橋式吊車廠房）也可采用中柱柱頂剛接。斜梁與柱的剛接，可采用端板豎放、端板平放和端板斜放三種形式。剛性連接宜采用高強(qiáng)度摩擦螺栓，螺栓應(yīng)成對(duì)對(duì)稱布置，在受拉翼緣和受壓翼緣的內(nèi)外側(cè)均應(yīng)設(shè)置。焊接實(shí)腹式I型截面門(mén)式剛架承重結(jié)構(gòu)由剛架和基礎(chǔ)兩部分組成。這里須著重指出的是，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系在受力計(jì)算時(shí)傳力路徑明確相比，門(mén)式剛架承重結(jié)構(gòu)體系的剛架、檁條（或墻梁）以及壓型鋼板間通過(guò)可靠的連接和支撐相互依托，體系受力更趨向于空間化。

2.5 門(mén)式剛架的塑性設(shè)計(jì)與計(jì)算

（1）門(mén)式剛架荷載。門(mén)式剛架的荷載一般有三類：屋面結(jié)構(gòu)等的自重，即永久荷載；屋面活荷載和雪荷載中的較大者；風(fēng)荷載。在一般彈性設(shè)計(jì)中，可根據(jù)各類荷載單獨(dú)計(jì)算剛架中的內(nèi)力，最后再有目的的對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力組合，求出最不利的內(nèi)力設(shè)計(jì)值。而對(duì)于超靜定的結(jié)構(gòu)采用塑性設(shè)計(jì)，可以充分利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的塑性性能，達(dá)到節(jié)約材料的目的。在塑性設(shè)計(jì)中，找到結(jié)構(gòu)中形成機(jī)構(gòu)的塑性鉸位置，進(jìn)而求得構(gòu)件截面的塑性彎矩M，是機(jī)構(gòu)分析的目的。

（2）門(mén)式剛架的機(jī)構(gòu)分析。所謂的靜力法，指的是通過(guò)求解靜力平衡方程，來(lái)確定塑性鉸位置和塑性彎矩的方法。具體的步驟是：為了形成靜定結(jié)構(gòu)，應(yīng)該去除構(gòu)件中的超靜定贅余反力，然后繪制荷載作用下此靜定結(jié)構(gòu)的彎矩圖；把贅余反力作用在靜定剛架上，然后在根據(jù)具體要求畫(huà)出由贅余反力產(chǎn)生的彎矩圖；把前面的兩彎矩圖疊加，求得成機(jī)構(gòu)的塑性鉸位置，求得截面的最大全塑性彎矩MP。根據(jù)上述靜力法的分析，一定可以使得平衡條件和機(jī)構(gòu)條件得到滿足，當(dāng)然，如果找錯(cuò)了塑性鉸位置，那就很有可能在所確定的塑性鉸位置以外的其他截面上產(chǎn)生大于MP的彎矩，此時(shí)，也就背離了屈服條件。所以，求得MP后，還需要進(jìn)行檢查，確保構(gòu)件的任何一個(gè)截面的彎矩的絕對(duì)值不超過(guò)MP。

門(mén)式剛架輕鋼房屋屬鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要分枝，這種結(jié)構(gòu)型式有著安全、輕型、環(huán)保、施工方便、可拆卸回收等優(yōu)勢(shì)，這與我國(guó)環(huán)保要求及發(fā)展綠色建筑的方向相吻合，隨著鋼結(jié)構(gòu)加工技術(shù)提升、輕型成品屋面板及墻面板的出現(xiàn)，相信在城市建設(shè)中將會(huì)有更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣滌非，謝俊，莊偉.某輕型門(mén)式剛架廠房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017（23）.

[2] 張揚(yáng).輕型門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)廠房分析及輕量化設(shè)計(jì)探討[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（17）.