沈 玉 光

(中國輕工業(yè)武漢設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

單層門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H型鋼(等截面或變截面)、熱軋H型鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實(shí)腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼(槽鋼、卷邊槽形、Z形等)做檁條、墻梁；以壓型金屬板(壓型鋼板、壓型鋁板)做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當(dāng)設(shè)置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。門式剛架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、工業(yè)化程度高，施工周期短、綜合經(jīng)濟(jì)效益高、柱網(wǎng)布置比較靈活等優(yōu)點(diǎn)，較多被采用[1]。

1 本工程的設(shè)計(jì)條件

1.1 建筑條件

本工程結(jié)構(gòu)形式為輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，建筑面積3 321.02 m2，建筑高度11.400 m(女兒墻頂部至室外地面高度)，輕鋼屋面排水坡度為5%，墻體1.000 m以下為煤矸石多孔磚，以上為100 mm厚玻璃棉夾心組合式彩板墻體,燃燒性能A級(jí)，屋面采用雙層玻璃棉夾心組合壓型鋼板。在④軸～⑦軸之間有5 t的桁車。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)及荷載

本工程位于湖北省鄂州市，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年；結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)；建筑抗震設(shè)防類別：丙類；設(shè)防烈度 6度；基本地震加速度0.05g；設(shè)計(jì)地震分組第Ⅰ組；場地土類別：Ⅲ類?；撅L(fēng)壓:0.35(×1.1) kN/m2；地面粗糙度類別：B類；基本雪壓：0.6 kN/m2(按100年重現(xiàn)期)。屋面板、檁條的施工或檢修集中荷載(人和小工具的自重)不得超過1.0 kN。屋面恒荷載0.3 kN/m2，屋面活荷載計(jì)算鋼梁取0.3 kN/m2，計(jì)算檁條時(shí)取0.5 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)體系布置

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，門剛縱向伸縮縫間距為300 m[2]。支撐設(shè)置：端部支撐宜在溫度區(qū)段端部第一或者第二開間設(shè)置柱間豎向支撐，同時(shí)在對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置屋面水平支撐。柱間支撐應(yīng)設(shè)置在側(cè)墻柱列。當(dāng)有吊車時(shí)，每個(gè)吊車跨兩側(cè)柱列均應(yīng)設(shè)置吊車柱間支撐。柱間支撐間距取30 m～45 m。當(dāng)房屋寬度大于60 m時(shí)內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。有不小于5 t的吊車房屋柱間支撐宜采用角鋼。本工程在溫度區(qū)段端部第一跨布置屋面水平支撐和柱間豎向支撐，支撐間距為39.100 m。在屋脊處及邊柱柱列頂部布置剛性系桿。

柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì):有吊車的內(nèi)柱列柱腳做剛接柱腳，頂部與梁剛接。外柱列做鉸接柱腳，頂部與梁剛接。

表1 構(gòu)件明細(xì)表

3 PKPM-STS系列二維模塊建模計(jì)算

建模過程中幾個(gè)容易出錯(cuò)參數(shù)的選取。

根據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范7.1.6條及條文說明規(guī)定，實(shí)腹式剛架斜梁的平面外計(jì)算長度應(yīng)取側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離，且不小于2倍的隅撐間距。本工程計(jì)算長度取最不利情況為屋面系桿間距8 m。

屋面采用雙板加棉，恒荷載取0.3 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2，雪荷載取0.6 kN/m2(按100年重現(xiàn)期)。荷載組合時(shí)屋面活荷載與雪荷載不同時(shí)考慮。根據(jù)《門規(guī)》[2]和《荷規(guī)》[3]，雪荷載應(yīng)考慮不均勻分布，有女兒墻的還應(yīng)考慮積雪效應(yīng)系數(shù)。本工程積雪效應(yīng)系數(shù)Urm[3]=1.5h/s0=1.5×2.4/0.6=6>2，取2，有女兒墻的積雪范圍a=2h=4.8 m。在PKPM中輸入5組互斥荷載，分別為活荷載，雪荷載均勻分布，不均勻分布1，不均勻分布2和考慮積雪效應(yīng)分布。第五種互斥荷載為考慮有女兒墻的積雪效應(yīng)，取值為雪荷載均勻分布和分別距離兩邊柱4.8 m范圍內(nèi)的1倍的雪荷載的疊加。

約束布置：中榀，邊柱底部鉸接，頂部剛接，兩個(gè)中柱兩端均剛接。山墻榀，抗風(fēng)柱底部剛接，頂部鉸接，其他柱端部連接形式同中榀。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 主鋼架分別選用Q235B鋼材和Q345B鋼材計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

主剛架經(jīng)PKPM試算調(diào)整后最終計(jì)算結(jié)果如下：

中榀主鋼架計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)圖4和圖5可知，鋼柱和鋼梁的強(qiáng)度、平面內(nèi)和平面外應(yīng)力比均不超過0.95，多數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力比在0.8～0.9之間。計(jì)算時(shí)使各個(gè)構(gòu)件應(yīng)力比比較均勻且在0.8～0.9之間，用材會(huì)比較經(jīng)濟(jì)合理。

由PKPM計(jì)算可知，中榀主剛架采用Q235B和Q345B鋼材，質(zhì)量分別為8.736 t和9.659 t。二者相差約1 t鋼材，而兩種鋼材價(jià)格相差無幾，所以采用Q345B鋼材比較經(jīng)濟(jì)。本工程采用Q345B鋼材。

邊榀山墻處主鋼架計(jì)算結(jié)果：

邊榀山墻處主鋼架，PKPM建模中，抗風(fēng)柱設(shè)置為僅承擔(dān)水平風(fēng)荷載，不承擔(dān)豎向荷載。根據(jù)圖6，圖7可知，大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力比在0.6～0.9之間。

由PKPM計(jì)算可知，邊榀山墻處主剛架采用Q235B和Q345B鋼材，質(zhì)量分別為12.674 t和13.043 t。二者相差約0.4 t鋼材，而兩種鋼材價(jià)格相差無幾，所以采用Q345B鋼材比較經(jīng)濟(jì)。本工程采用Q345B鋼材。

為兼顧安全富裕度和用材經(jīng)濟(jì)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，門式剛架鋼構(gòu)件應(yīng)力比控制不應(yīng)超過0.9，允許極少數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力比在0.9～0.95之間。所有構(gòu)件應(yīng)力比應(yīng)不超過0.95。

4.2 檁條及墻梁設(shè)計(jì)分析

本工程采用STS工具箱進(jìn)行檁條計(jì)算，屋面檁條選用斜卷邊Z型檁條。當(dāng)屋面檁條采用簡支檁條時(shí)，端跨和中跨檁條分別為XZ250×75×20×2.5，XZ250×75×20×2.2；當(dāng)屋面檁條采用連續(xù)檁條時(shí)，端跨和中跨檁條分別為XZ220×75×20×2.5，XZ220×75×20×2.2。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)此等規(guī)模的房屋采用連續(xù)檁條比簡支檁條能降低一個(gè)規(guī)格，節(jié)省鋼材。所以本工程屋面檁條采用連續(xù)檁條，檁條的搭接長度不宜小于10%檁條跨度，對(duì)于邊跨搭接長度不宜小于15%檁條跨度。本工程墻梁選用C型簡支墻梁，在門窗洞口處的墻梁及門窗柱采用口對(duì)口雙拼C型墻梁。

5 結(jié)語

本文以實(shí)際工程為例，詳細(xì)闡述了門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般過程，通過門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)門式剛架輕型房屋屬于對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)基本雪壓應(yīng)取100年重現(xiàn)期的雪壓。對(duì)于有女兒墻的門式剛架，應(yīng)考慮積雪效應(yīng)系數(shù)，屋面雪荷載應(yīng)取4種工況，全跨積雪的均勻分布、不均勻分布、半跨積雪的均勻分布和積雪效應(yīng)分布。

2)門式剛架柱腳宜按鉸接柱腳設(shè)計(jì)，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5 t以上的橋式吊車時(shí)，可將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。

3)當(dāng)屋面跨度較大時(shí)，采用實(shí)腹式變截面梁比較經(jīng)濟(jì)，單跨內(nèi)屋面變截面梁變截面的分段長度比例宜為1∶2∶1。鋼柱頂部與鋼梁剛接，彎矩圖反彎點(diǎn)的位置大約在梁1/4和3/4長度處。

4)門式鋼架結(jié)構(gòu)，在滿足柱頂位移和鋼梁變形的規(guī)范要求下，根據(jù)規(guī)范要求和工程經(jīng)驗(yàn)，通過控制應(yīng)力比來確定鋼構(gòu)件截面尺寸，宜使盡量多的鋼柱和鋼梁的應(yīng)力比控制在0.8～0.9之間，允許極個(gè)別鋼梁應(yīng)力比超0.9，禁止任何構(gòu)件應(yīng)力比超過0.95。這樣能在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，做到用材經(jīng)濟(jì)。

5)Q235B和Q345B鋼材的價(jià)格相差不大，跨度大的門剛結(jié)構(gòu)主剛架采用Q345B鋼能夠比較節(jié)省鋼材。屋面檁條采用Q345B材質(zhì)連續(xù)檁條比較經(jīng)濟(jì)合理。