李風(fēng)軍 沈紅霞 陳玲玲

山東省紡織建筑設(shè)計(jì)院有限公司 山東 濟(jì)南 250013

引言

由于現(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展，中國鋼結(jié)構(gòu)在近年來得到了很好的發(fā)展。門式剛架作為輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本構(gòu)造形態(tài)，有著施工建造速度快、建筑造型優(yōu)美、鋼材用量小、抗震性能好、利于環(huán)保、材料費(fèi)用相對(duì)便宜、綜合經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，而且由于近年來耐火、防腐等新產(chǎn)品的不斷問世，已較好地解決了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑中耐腐蝕性較差的弊端。所以，它在工業(yè)廠房和民用設(shè)施中已經(jīng)得到了普遍的使用。

1 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件綜合優(yōu)化

門式剛架等輕型建筑屋頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)選方面要足夠注意，在既定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式以及材質(zhì)和布局等基礎(chǔ)下，對(duì)不同組成的結(jié)構(gòu)直徑尺度進(jìn)行優(yōu)選，才能保證鋼構(gòu)的輕質(zhì)和經(jīng)濟(jì)化。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行優(yōu)選的時(shí)候，一般有兩個(gè)方式：一是采用最優(yōu)化理論進(jìn)行設(shè)計(jì)；二是通過選擇窮舉法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這兩個(gè)方式均可以發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)選設(shè)計(jì)的效果。在最優(yōu)化理論的實(shí)際運(yùn)用中，一般是通過把設(shè)計(jì)問題歸納為單目標(biāo)規(guī)劃問題，單目標(biāo)函數(shù)通常是以用鋼量最小和建筑造價(jià)最低為限制要求的，進(jìn)而通過運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃的理論得到結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的結(jié)論[1]。

1.2 多構(gòu)件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在從經(jīng)濟(jì)效益的角度進(jìn)行考慮之下，對(duì)高強(qiáng)度輕型薄壁檁條和鋼架梁柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)選，鋼架梁柱選用輕鋼結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)行簡化計(jì)算結(jié)果的方式，并進(jìn)行反復(fù)試算之后給出了最佳的斷面尺寸，并以此實(shí)現(xiàn)了材料節(jié)省的目標(biāo)。門式剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作技術(shù)方面，通過對(duì)計(jì)算軟件系統(tǒng)中截面優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和反復(fù)試算的實(shí)際應(yīng)用，選取了最佳的截面。

1.3 充分強(qiáng)調(diào)空間結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)

門式剛架在輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)中，在空間的優(yōu)化上加強(qiáng)了注意，因?yàn)榭臻g是對(duì)建造起著關(guān)鍵作用的，在具體的方案設(shè)計(jì)流程中，就必須對(duì)房子的基本結(jié)構(gòu)以及施工技術(shù)條件加以比較，并全面的了解，避免空間上不必要的浪費(fèi)，如果對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的分析意見和投資情況有了比較大的空間限制條件，就必須反饋給工藝設(shè)計(jì)人員和施工方。在門式剛架跨度方面是對(duì)建筑功能及特定需求有著密切聯(lián)系的，因此門式剛架跨度應(yīng)按照建筑物實(shí)際的需要加以選用，并盡可能采用輕質(zhì)建筑材料，在門式剛架等輕型建筑鋼構(gòu)的設(shè)計(jì)中，對(duì)鋼架跨度、柱距等對(duì)建筑物用鋼量重要的指標(biāo)產(chǎn)生了影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的幾點(diǎn)問題

2.1 屋面活載荷的取值

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)為《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015），根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，壓型鋼板輕型屋面設(shè)計(jì)中，屋面豎向均布活荷載的基準(zhǔn)值（按水平投影建筑面積測(cè)算）應(yīng)為0.5kN/m2，當(dāng)剛架結(jié)構(gòu)中的受荷載水平投影建筑面積大于60m2時(shí)，則屋面豎向均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取不低于0.3kN/m2。負(fù)荷效應(yīng)設(shè)計(jì)中還必須包含以下五大基本原理：當(dāng)建筑物屋面均布活荷載和雪荷載共同出現(xiàn)時(shí)，必須選取最大的那個(gè)數(shù)值；建筑積灰荷載應(yīng)與屋面雪荷載或不上人屋面均布活荷載兩者中的較大值同時(shí)考慮。建筑及檢修設(shè)備集中荷載，不與除外墻材料及檁條墻體自重之外的任何荷載一起考核；荷載的設(shè)計(jì)方案中，必須充分考慮荷載組合原理[2]。

2.2 實(shí)腹式剛架斜梁長度取值

2.2.1 如果屋面設(shè)計(jì)存在較大的斜坡，則必須充分考慮剛架平面內(nèi)部軸力對(duì)穩(wěn)定性的負(fù)面影響。

2.2.2 如果屋面斜坡并不算較大時(shí)，在剛架平面內(nèi)也可根據(jù)壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度。如果斜柱軸向動(dòng)力比偏小，則可類似地把豎向支承節(jié)點(diǎn)之間的一段距離，視為在剛架平面內(nèi)的計(jì)算寬度。

2.2.3 平面外的寬度計(jì)算結(jié)果，通常選取側(cè)向支柱之間的一定距離。但充分考慮到對(duì)鋼柱拼裝上下翼緣的制約因素，在計(jì)算結(jié)果時(shí)通常選取受壓下翼緣側(cè)向支撐的最大間距。而屋面斜柱的平面外計(jì)算長度則選取了二倍檁間距，顯然成為一種默認(rèn)的選擇，有工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員由此就提出隅撐可以間隔布設(shè)，這顯然是不對(duì)的。規(guī)范中特別強(qiáng)調(diào)，隅撐既不能成為橫梁的穩(wěn)定的側(cè)面支承，也無法充分地為橫梁提供穩(wěn)定側(cè)面支承，也就只能是彈性支座。而按照標(biāo)準(zhǔn)理論分析，用隅撐支承的橫梁的計(jì)算長度也不能低于二倍隅撐間距，柱下翼緣體積越大，其隅撐的支承功能就相對(duì)地更弱，計(jì)算長度也更大。單面隅撐，盡管可能成為外墻斜梁的平面外側(cè)方向非全部支承物，但其副效應(yīng)卻非常重大，隅撐在單面布設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮隅撐作用檁條的實(shí)際支座所受到的水平力，對(duì)外墻斜梁上下翼緣產(chǎn)生的水平危害。對(duì)外墻斜梁的整體剛度與穩(wěn)定性計(jì)算也應(yīng)充分考慮此因素。

2.3 構(gòu)件撓度

在建筑規(guī)范中，如果有輕鋼夾心板外墻和鋼檁條對(duì)斜梁面作用，建筑結(jié)構(gòu)的豎向撓性值通常取L/180，如果有吊頂時(shí)則取L/240，還有懸掛起重機(jī)時(shí)取L/400，這里L(fēng)是指建筑結(jié)構(gòu)的最大跨度。在荷載穩(wěn)定的情形下，當(dāng)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大跨度較大時(shí)，常用撓性值控制結(jié)構(gòu)斷面尺寸。在實(shí)際施工中，屋面梁的撓性對(duì)整體建筑的使用質(zhì)量也有很大負(fù)面影響。因此，如果是上梁撓性較大，且屋面斜坡較小的外墻就會(huì)形成巨大的積水，而積水又滲入到保溫棉，進(jìn)一步增加了對(duì)外墻的負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)甚至形成了滲漏現(xiàn)象。而對(duì)于跨度較大，且撓度不易控制的建筑構(gòu)件中，可采用增加搖擺柱的方式，減少對(duì)撓度所形成的不良影響。

2.4 結(jié)構(gòu)形式及布置

在門式剛架的輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，通常采用冷彎薄壁鋼檁條和壓型鋼板屋面。而主體剛架則可選用變截面實(shí)腹剛架，外墻宜選用壓型鋼板墻面板和冷彎薄壁鋼墻梁。而按照跨度、標(biāo)高和荷載不同，門式剛架的梁、墻可選用變截面或等斷面實(shí)腹焊接的工字形截面或軋制H形截面。設(shè)計(jì)鋼架柱時(shí)，柱宜選用中等直徑截面。門式剛架的柱腳多按鉸接支承方式設(shè)計(jì)，一般為平板支座結(jié)構(gòu)，設(shè)一對(duì)或二對(duì)地腳螺栓連接。采用柱腳鉸接時(shí)，還可減少因柱腳剛接造成的底部彎矩過大而造成基礎(chǔ)工程工程量增加，以及混凝土工程的工程費(fèi)用的實(shí)際問題。有吊車廠房用剛接柱腳則較為合適，對(duì)吊車的穩(wěn)定工作有利[3]。

2.5 屋面板的抗風(fēng)措施

近年來時(shí)有出現(xiàn)大風(fēng)掀屋的案例發(fā)生。而臺(tái)風(fēng)引起建筑物屋面板破壞的最重要原因之一，就是建筑物屋面板的連接情況。板的橫向搭設(shè)方式一般有通透式、暗扣式和咬邊型。通透式的缺陷一般是在螺栓貫穿處容易漏水；而暗扣式盡管避免了螺栓連接部滲透，但需要用高強(qiáng)度鋼筋和專門的高強(qiáng)度鋼筋軋制成形，以保持造型正確并且具有一定韌性，才能起到扣牢的吻合效果，使搭接部能留有一道避免毛細(xì)現(xiàn)象的空槽。大風(fēng)中掀起屋面更主要的因素是不重視門窗的防風(fēng)災(zāi)設(shè)計(jì)，在大風(fēng)中門窗容易被吹開，尤其卷簾窗力度更差。有的窗玻璃靠膩?zhàn)蛹庸?，如果風(fēng)向外吹，墻體膩?zhàn)泳蜎]法阻擋，窗戶大開，但向上的風(fēng)速卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的范圍。有的屋面被掀開，也可能是在大風(fēng)吸力下檁條失穩(wěn)而引起。但屋面板自身也有提高與完善的需要，如暗扣式屋面容易被掀起的原因，有的是扣件連接時(shí)未使用高強(qiáng)度鋼筋，硬度不足；有的是在扣件連接邊緣地區(qū)內(nèi)未用螺釘與檁條相連，使扣件連接受彎損壞；有的在邊區(qū)約1/6房屋高度區(qū)域內(nèi)未加抗風(fēng)災(zāi)螺栓連接，或抗風(fēng)災(zāi)螺栓的聯(lián)接墊圈因體積過小，結(jié)果被拔出。采光板也是暗扣式滲漏與可能被拔起的關(guān)鍵，由于在采光板和屋面板的橫向連接處由于二者擴(kuò)張速度差異，很容易產(chǎn)生裂縫，而采光板剛性又較小，由于附加檁條不足，采光板更柔，較容易產(chǎn)生裂縫，而采光板硬度也低于屋面板，更容易使螺栓的連接拔出。所以，在墻面和采光板的橫向連接處上邊盡量再壓一個(gè)鋁線，下墊的膠條用螺釘連接以及大墊圈牢固壓住。

2.6 防腐與防火

鋼鐵材質(zhì)的抗銹蝕性能和熱抗腐蝕性能都非常不好。這不但會(huì)給鋼結(jié)構(gòu)工程造成巨大經(jīng)濟(jì)上的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患，甚至危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此針對(duì)鋼材構(gòu)件容易銹蝕的狀況，將鋼材的防銹處理主要分為兩個(gè)過程：一是對(duì)鋼鐵材質(zhì)的表層進(jìn)行特別處理。如果鋼材表層上附著有金屬污染物，就會(huì)嚴(yán)重影響各種涂料與鋼鐵表層之間的附著力，從而使得涂層下面的腐蝕物質(zhì)向四周蔓延，涂層就失去了防護(hù)意義。所以在對(duì)鋼材表層進(jìn)行特別處理的過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制處理質(zhì)量，確保涂層的有效性得以發(fā)揮，提高鋼材的使用壽命。二是在鋼材表層涂上防腐材料。防腐材料可以更有效的對(duì)鋼材加以防護(hù)，從而減少了鋼材的氧化反應(yīng)。常見的涂層包括氯化橡膠漆、氯磺化聚乙烯涂層和環(huán)氧涂層等[4]。

鋼材料的防火特性并不好，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的要求:當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)的耐火等級(jí)是二級(jí)的時(shí)候，柱的防火極限是1.5h，而支撐多層的梁的防火極限是2.5h，而樓板的防火極限則是1.0h。所以，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行防火措施是必要的。常見的鋼結(jié)構(gòu)耐火保護(hù)措施包括：將耐火輕質(zhì)鋼板用作耐火外包層；在結(jié)構(gòu)外澆注水泥或澆筑耐火磚；涂刷耐火油漆。

2.7 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

門式剛架斜梁與立柱相互之間的連接方式可選用端板豎放、端板橫放和端板斜放三種形式。與斜梁拼合時(shí)宜使端板與結(jié)構(gòu)邊沿相同。端板聯(lián)接宜按承受較大內(nèi)力設(shè)計(jì)。在內(nèi)力相等時(shí)，則宜按所能承載不小于較小被接截面承載力的1.05設(shè)計(jì)。主剛架結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)選用摩擦式高強(qiáng)度螺栓，一般選用M16～M30。檁條和剛架斜梁以及墻梁和立柱之間的銜接，常使用M12普通螺栓。端板上連接的高強(qiáng)螺栓應(yīng)成對(duì)或?qū)ΨQ布置，其受拉翼緣與受壓翼緣之間的左右二端，都要設(shè)有并使每個(gè)翼緣的螺栓群中心與翼緣的中心重合或相近。且螺栓中心與翼緣板上的間距要符合擰緊螺栓時(shí)的安裝條件，并不得少于35mm。螺栓端距不應(yīng)少于二倍螺栓孔徑。門式剛架受壓翼緣的螺栓數(shù)量不得小于2排。當(dāng)受拉翼緣二端各設(shè)一個(gè)螺釘連接但尚無法達(dá)到一定強(qiáng)度要求時(shí)，可在翼緣外立桿增加螺釘連接，其間隙可取75mm，但不得低于三倍孔徑。與斜梁端板相連的鋼柱翼緣部分，應(yīng)與端板等厚。當(dāng)端板上2個(gè)螺栓連接之間的最大間距超過400mm時(shí)，應(yīng)當(dāng)在端板的中間增加一個(gè)螺栓連接。同樣受拉與被剪切的螺栓，應(yīng)驗(yàn)算螺栓在拉力、剪切共同作用下的總抗拉強(qiáng)度[5]。

3 結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用越來越廣泛。在鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中，不但要做到滿足投資者的需求，而且還要確保建筑結(jié)構(gòu)具備經(jīng)濟(jì)、安全、優(yōu)美等特點(diǎn)。由于這些構(gòu)件對(duì)技術(shù)有較大的依賴性，在工程設(shè)計(jì)上也存在著許多的技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)問題。隨著人們對(duì)門式剛架結(jié)構(gòu)工程的認(rèn)識(shí)不斷深入，我們的建筑設(shè)計(jì)水準(zhǔn)一定會(huì)進(jìn)一步提升，而門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工程也一定會(huì)獲得更多的運(yùn)用與普及。