門式剛架輕型鋼結構房屋合理設計的探討

蘆珍明

(山西安煤礦業設計工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

門式剛架輕型房屋是采用變截面或等截面實腹剛架為承重結構，采用輕型鋼屋面和輕型外墻為圍護結構的單層鋼結構房屋(見圖1)。具有重量輕、受力簡單、傳力路徑明確，便于工廠化加工，施工周期短等優點，廣泛應用于工業、商業及文化娛樂公共設施等工業與民用建筑中。

現就門式剛架輕型房屋設計的合理性進行簡要探討。

1 材質的選用

1)門式剛架輕型房屋鋼結構一般采用碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。對以強度控制為主的受力構件，可采用低合金高強度結構鋼。低合金高強度結構鋼分為A，B，C，D，E五個質量等級，由A到D其質量由低到高。而門式剛架所用的鋼材板件大多為板件較薄，所以構件穩定性和變形常起控制作用，應選擇碳素結構鋼較為合理。碳素結構鋼分為A，B，C，D四個質量等級。但隨含碳量的增加，鋼材的抗拉強度和屈服強度提高，其塑性、冷彎性能和沖擊韌性均降低，焊接性能也變差。所以在選取鋼材牌號和材性時，要結合構件的重要性、荷載特征、應力狀態、連接方法及工作環境等因素綜合考慮，在保證承重結構承載能力的同時，還要注意含碳量及硫、磷的含量，防止構件發生脆性破壞。

2)主剛架、吊車梁和焊接的檁條、墻梁等構件宜采用Q235B或Q345A及以上等級的鋼材，非焊接和墻梁等構件可采用Q235A級鋼材。

2 結構方案的布置

2.1 剛架方向的確定

剛架方向的布置應遵循長度大于寬度的原則。面積較大的廠房還應考慮溫度區段的控制?？v向溫度區段不宜大于300 m，橫向溫度區段不宜大于150 m。布置剛架時，縱橫向尺寸不宜超過以上限制，當超過以上值時，可設縫斷開或采取釋放溫度應力的措施，否則應考慮溫度效應的影響。

2.2 跨度的確定

門式剛架可設單跨或多跨布置，廠房跨度太大或者太小都不經濟，其跨度宜為12 m～48 m。單跨剛架使用于橫向空間不大的建筑，多跨剛架對房屋的寬度尺寸沒有限制。但當寬度超過150 m時，應設縫斷開。多跨剛架由于使用連續剛架，因此較為經濟，但多跨剛架對地基的不均勻沉降較敏感，在沉降較大的軟土地基時，應詳細考察基礎的沉降情況，慎重使用。

2.3 柱距的選取

在布置剛架的柱距時，盡量采用等間距布置。剛架柱距宜為6 m，7.5 m，9 m。豎向荷載是影響柱距的主要因素，如屋面荷載、吊頂荷載、吊車荷載等。當荷載較大時選小柱距，荷載較小時選大柱距。如有需要采用不等間距時，應盡量將端跨布置的比中間跨小。因為端跨的風荷載比中間跨大。另外在選用連續檁條時，端跨的撓度及跨中彎矩均大于中間跨，所以較小的端跨也能使屋面檁條和墻面檁條的截面減小。

3 剛架截面的選取

1)根據跨度、高度和荷載的不同，門式剛架梁、柱可采用變截面或等截面的軋制H形截面或實腹焊接工字形截面。當有橋式吊車時，柱宜采用等截面柱。如想更經濟，可以將牛腿以下直接承受吊車荷載的部分用大截面，牛腿以上連接屋面的部分用小截面。

2)如從節約和剛架受力彎矩圖的角度考慮，應充分利用截面特性，盡量使截面隨彎矩圖和剪力圖的變化而調整，采用楔形變截面更合理。

4 支撐的布置

4.1 屋面橫向水平支撐及柱間支撐

1)在每個溫度區段或分期建設的區段中，應設置獨立的支撐系統，使其能夠獨立抵抗水平力。設置柱間支撐的開間應同時設置屋面橫向水平支撐，以構成幾何不變體系。端部的支撐宜設置在端部第一或第二開間，如端部支撐設在第二開間時，應在第一開間抗風柱頂部對應的位置設剛性系桿。

2)柱間支撐應設置在側墻，當房屋寬度大于60 m時，在內柱列宜設置柱間支撐。當無吊車時，柱間支撐間距宜取30 m～45 m，端部柱間支撐宜設置在房屋端部第一或第二開間。當有吊車時，每個吊車跨兩側柱列均應設置柱間支撐。

3)當房屋高度大于柱間距2倍或9 m時，柱間支撐宜分兩層設置。有高低跨時，需要在高低寬處分層設置。有吊車時需要在吊車梁處分層設置，端部只能設置上柱支撐不能設置下部支撐(見圖2)，否則由于溫度變形會使廠房縱向變形無法釋放，吊車梁變形過大，造成卡軌。吊車梁下部支撐應選用型鋼交叉支撐設置，宜在溫度區段中部，當較長時，宜設置在三分點，且不應大于50 m。上、下層柱間支撐間的系桿必須設置，且應按剛性系桿考慮。支撐的上端與水平壓桿及剛架柱中心必須匯交于一點，避免形成偏心受力。

圖2 設吊車的柱間支撐布置圖

4)在同一建筑中，最好采用同類型的柱間支撐，如因使用功能要求(柱見支撐部位有門、窗以及設備時)，可采用剛架支撐或桁架支撐來代替。

4.2 屋面縱向水平支撐

輕型門式剛架沿寬度方向的橫向穩定性，是通過剛架自身剛度來抵抗所承受的橫向風荷載、橫向地震作用以及橫向吊車剎車力。而在長度方向的縱向剛度較弱，如有帶駕駛室且吊車梁噸位大于15 t等情況，需要沿著門剛縱向設置縱向水平支撐來抵抗縱向風荷載、縱向地震作用以及縱向剎車力，從而保證廠房的縱向穩定性。

5 剛架的抗震設計

1)單層門式剛架輕型房屋荷載較小，即等效質量小，所以在抗震設防烈度為7度(0.10g)及以下地區地震作用下，能滿足風荷載驗算的都能滿足地震作用的驗算。但是在7度(0.15g)及以上的高烈度地區的地震作用會比較大，在風荷載小的地方，雖然滿足風荷載驗算，但不一定能滿足地震作用的驗算。因此，在7度(0.15g)及以上的地區時，縱、橫向剛架均需進行抗震驗算。

2)對質量與剛度分布明顯不對稱的結構，可將平面不規則的廠房通過設縫劃分成若干個規則的部分，這樣每個部分就不用按計入扭轉影響的雙向地震作用考慮了，可以只考慮單向地震作用。

6 剛架計算需控制的主要參數

剛架梁、柱均為壓彎構件，壓彎構件截面承載力驗算包括強度驗算和平面內穩定、平面外穩定、局部穩定驗算。

6.1 強度

在荷載和相關參數正確選取時，剛架構件的應力比可以為0.99。如果抗彎強度不滿足，可以通過加大腹板截面高度來調整;如果是抗剪強度不滿足，可以通過增加腹板厚度來調整。

6.2 平面內穩定

平面內穩定主要由梁高控制，增加梁高或增大翼緣厚度可以有效地增加平面內慣性矩，從而提高構件的平面內穩定性。

6.3 平面外穩定

平面外穩定主要由構件長細比控制，又分為受壓構件和受拉構件的長細比。長細比=平面外計算長度/截面的回轉半徑，可見減小平面外計算長度和增加截面的回轉半徑均可減小構件長細比。平面外計算長度為側向支撐點間的距離，在設計中可通過設置隅撐減小側向支撐點間的距離，滿足長細比的要求。

6.4 局部穩定

由板件的寬厚比或高厚比控制。當構件承受集中荷載或局部承載時，應在相應部位設置合理的加勁肋，由加勁肋保證構件的局部穩定性。

6.5 剛架柱頂位移

剛架的柱頂位移應滿足相應的荷載所對應的柱頂位移限制，如不滿足應增大結構的側向剛度來調整。

6.6 剛架梁的撓度

剛架梁的豎向撓度的控制應采用恒載和活載共同作用下，撓度不應太大，尤其是帶吊車的廠房，撓度值要求更嚴，為L/400，否則會影響使用功能。如果撓度不滿足可以通過增加剛架梁的高度來調整。

6.7 屋面坡度改變值

屋面坡度改變限值為坡度設計值的1/3，控制屋面坡度改變值是為了使屋面板的變形小，防止屋面漏水，影響使用壽命。

7 構件的防護設計

1)鋼結構最大的缺點是易銹蝕，耐火性差。銹蝕是不可避免的，但是可以通過采取措施控制。鋼材的傳熱系數大，強度隨溫度升高而迅速降低，發生火災的鋼結構在高溫作用下，如無防火設施，耐火時間僅15 min～20 min，會很快失效倒塌。所以鋼結構的防護是鋼結構設計的重要環節。

2)首先對鋼構件應進行除銹，并涂防火底漆，注意防火涂料應與底漆相容，能良好的結合。鋼結構的防火可以采用防火涂料，對于直接承受震動作用的鋼結構構件，應采用防火厚型涂料。

綜上所述，在門式剛架輕型房屋設計中，首先根據荷載特征，使用環境等選用適宜的材質，確定合理的結構布置方案，選取合適的截面進行剛架受力分析，控制好相關的設計參數，設置合理的支撐系統并采取防銹和耐火措施，確保設計出結構安全可靠、經濟合理、美觀適用的門式剛架。