單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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簡(jiǎn)介： 本文介紹了單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并就整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的布置、單個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題做了系統(tǒng)闡述。
關(guān)鍵字：輕型門式剛架結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 計(jì)算

　　輕型門式剛架房屋結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用大約始于20世紀(jì)80年代初期。近十多年來得到迅速的發(fā)展，目前國內(nèi)每年有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，主要用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動(dòng)房屋、加層建筑等。
單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（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。
　　在目前的工程實(shí)踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構(gòu)件，單跨剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎(chǔ)剛接或鉸接；圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。
1 單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
1.1 單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：
(1)質(zhì)量輕
　　圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕。根據(jù)國內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10~30kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20~1/30。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，相應(yīng)地基礎(chǔ)可以做得較小，地基處理費(fèi)用也較低。同時(shí)在相同地震烈度下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)小。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時(shí)，風(fēng)荷載可能成為單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的控制荷載。
(2)工業(yè)化程度高，施工周期短
　　門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件多為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便；除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)；構(gòu)件之間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，安裝迅速。
(3)綜合經(jīng)濟(jì)效益高
　　門式剛架結(jié)構(gòu)通常采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期短；原材料種類單一；構(gòu)件采用先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備制造；運(yùn)輸方便等。所以門式剛架結(jié)構(gòu)的工程周期短，資金回報(bào)快，投資效益相對(duì)較高。
(4)柱網(wǎng)布置比較靈活
　　傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當(dāng)采用12米柱距時(shí)，需設(shè)置托架及墻架柱。而門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用金屬壓型板，所以柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。
1.2 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
(1)由于門式剛架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎剛度、抗扭剛度較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較弱，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)輸和安裝過程中要采取的必要措施，防止構(gòu)件發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。
(2)要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構(gòu)件的連接構(gòu)造，使其能參與結(jié)構(gòu)的整體工作。
(3)組成構(gòu)件的桿件較薄，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮對(duì)制作、安裝、運(yùn)輸?shù)囊蟆?br />(4)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱的影響。
(5)門式剛架的梁柱多采用變截面桿件，梁柱腹板在設(shè)計(jì)時(shí)考慮利用屈曲后的強(qiáng)度，所以塑性設(shè)計(jì)不再適用。
(6)設(shè)計(jì)中對(duì)輕型化帶來的后果必須注意和正確處理，比如風(fēng)力可使輕型屋面的荷載反向等。

2 結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置
2.1 結(jié)構(gòu)形式
　　門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時(shí)，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不是很大時(shí)，依據(jù)“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設(shè)計(jì)，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級(jí)工作制的單梁或雙梁橋式吊車。
2.2 結(jié)構(gòu)布置
2.2.1 剛架的建筑尺寸和布置。
　　門式剛架的跨度宜為9~36m，當(dāng)柱寬度不等時(shí)，其外側(cè)應(yīng)對(duì)齊。高度應(yīng)根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，宜取4.5~9m。門式剛架的合理間距應(yīng)綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。縱向溫度區(qū)段小于300m，橫向溫度區(qū)段小于150m（當(dāng)有計(jì)算依據(jù)時(shí)，溫度區(qū)段可適當(dāng)放大）。
2.2.2 檁條和墻梁的布置
　　檁條間距的確定應(yīng)綜合考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計(jì)算確定，一般應(yīng)等間距布置，但在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。側(cè)墻墻梁的布置應(yīng)考慮門窗、挑檐、雨蓬等構(gòu)件的設(shè)置和圍護(hù)材料的要求確定。
2.2.3 支撐和剛性系桿的布置
(1)在每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。
(2)在設(shè)置柱間支撐的開間，應(yīng)同時(shí)設(shè)置屋蓋橫向支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。
(3)端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第一或第二個(gè)開間。柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30~45m，有吊車時(shí)不宜大于60m。
(4)當(dāng)房屋高度較大時(shí)，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置；當(dāng)房屋寬度大于60m時(shí)，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。
(5)當(dāng)端部支撐設(shè)在端部第二個(gè)開間時(shí)，在第一個(gè)開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿。
(6)在剛架的轉(zhuǎn)折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應(yīng)沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿。
(7)由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。
(8)剛性系桿可由檁條兼做，此時(shí)檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時(shí)可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。
(9)當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于5t的吊車時(shí)，柱間支撐宜用型鋼；當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時(shí)，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。

3 剛架設(shè)計(jì)
3.1 荷載及荷載組合
3.1.1 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。
3.1.2 可變荷載
　　可變荷載包括屋面活荷載（設(shè)計(jì)屋面板和檁條時(shí)應(yīng)考慮施工和檢修集中荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等。
3.1.3 荷載組合
　　荷載組合一般應(yīng)遵從《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50009-2002的規(guī)定，針對(duì)門式剛架的特點(diǎn)，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:98給出下列組合原則：
(1)屋面均布活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，應(yīng)取兩者中較大值。
(2)積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時(shí)考慮。
(3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時(shí)考慮。
(4)多臺(tái)吊車的組合應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。
(5)當(dāng)需要考慮地震作用時(shí)，風(fēng)荷載不與地震作用同時(shí)考慮。
3.2 剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算
3.2.1 內(nèi)力計(jì)算
　　對(duì)于變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)剛架的梁柱全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機(jī)計(jì)算。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。
　　根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內(nèi)力組合主要有：
(1)最大軸壓力Nmax和同時(shí)出現(xiàn)的M及V的較大值。
(2)最大彎矩Mmax和同時(shí)出現(xiàn)的N及V的較大值。
(3)最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時(shí)M=0。
3.2.2 側(cè)移計(jì)算
　　變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定，計(jì)算時(shí)荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果最后驗(yàn)算時(shí)剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進(jìn)行調(diào)整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個(gè)別搖擺柱改為上端和梁剛接。
3.3 剛架柱和梁的設(shè)計(jì)
(1)梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強(qiáng)度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗(yàn)算、腹板屈曲后強(qiáng)度利用驗(yàn)算、腹板的有效寬度驗(yàn)算等內(nèi)容）
(2)剛架梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算。
(3)梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應(yīng)在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋）
(4)變截面柱在剛架平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度確定。
(5)變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計(jì)算。
(6)變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計(jì)算。
(7)斜梁和隅撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。
(8)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設(shè)計(jì)、牛腿設(shè)計(jì)、搖擺柱與斜梁的連接構(gòu)造等內(nèi)容）

4 輔屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)
4.1壓型鋼板設(shè)計(jì)
(1)壓型鋼板材料的選擇可根據(jù)建筑功能、使用條件、使用年限和結(jié)構(gòu)形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235-A鋼。
(2)壓型鋼板的截面形式較多，根據(jù)波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。
(3)壓型鋼板的強(qiáng)度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構(gòu)件計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括壓型鋼板腹板的剪應(yīng)力計(jì)算、支座處腹板的局部受壓承載力計(jì)算、撓度限值驗(yàn)算等。
(4)壓型鋼板尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。
4.2檁條設(shè)計(jì)
(1)檁條的截面形式可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。當(dāng)檁條跨度不大于9m時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用實(shí)腹式檁條。
(2)檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)應(yīng)沿截面兩個(gè)形心主軸方向計(jì)算彎矩。
(3)檁條應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。
(4)檁條尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。
4.3墻梁、支撐設(shè)計(jì)
(1)墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時(shí)也可采用卷邊Z形鋼。
(2)墻梁在其自重、墻體材料和水平風(fēng)荷載作用下，也是雙向受彎構(gòu)件。
(3)墻梁應(yīng)盡量等間距設(shè)置，在墻面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿處應(yīng)設(shè)置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設(shè)置拉條，并在最上層墻梁處設(shè)斜拉條將拉力傳至剛架柱。
(4)墻梁可根據(jù)柱距的大小做成跨越一個(gè)柱距的簡(jiǎn)支梁或兩個(gè)柱距的連續(xù)梁。
(5)門式剛架結(jié)構(gòu)中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計(jì)，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)。
(6)剛架斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力，根據(jù)縱向風(fēng)荷載按支承于柱頂?shù)乃借旒苡?jì)算，并計(jì)入支撐對(duì)斜梁起減少計(jì)算長(zhǎng)度作用而承受的力，對(duì)于交叉支撐可不計(jì)入壓桿的受力。
(7)剛架柱間支撐的內(nèi)力，應(yīng)根據(jù)該柱列所受縱向風(fēng)荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計(jì)算，并計(jì)入支撐對(duì)柱起減少計(jì)算長(zhǎng)度而應(yīng)承受的力，對(duì)于交叉支撐可不計(jì)壓桿的受力。當(dāng)同一柱列設(shè)有多道柱間支撐時(shí)，縱向力在支撐間可平均分配。

5 小結(jié)

　　綜上所述，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下原則：
(1)保證結(jié)構(gòu)的整體性。門式剛架屬于平面結(jié)構(gòu)，它們?cè)诳v向構(gòu)件、支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系下形成空間的穩(wěn)定體系，結(jié)構(gòu)只有組成空間穩(wěn)定整體，才能承擔(dān)各種荷載和其他外在效應(yīng)。
(2)明確各類外力從作用點(diǎn)到基礎(chǔ)的傳遞路徑和傳遞全過程中產(chǎn)生的效應(yīng)。
(3)設(shè)計(jì)必須體現(xiàn)計(jì)算和構(gòu)造的一致性。