淺談門(mén)式剛架輕型廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、淺談門(mén)式剛架輕型廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于工業(yè)工程中的一種快速發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系，本文就筆者在實(shí)踐中累積的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于其設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行探討，供設(shè)計(jì)人員參考。關(guān)鍵詞：門(mén)式剛架， 輕型廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正文：大約在上世紀(jì)80年代初期,門(mén)式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)開(kāi)始在我國(guó)應(yīng)用。因?yàn)槠溆袃?yōu)于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以廣大設(shè)計(jì)者多樂(lè)于接受, 近二十幾年來(lái)得到迅速發(fā)展，目前每年約有上千萬(wàn)平方米的輕鋼建筑工程在國(guó)內(nèi)建造，主要用于輕型的廠(chǎng)房.娛樂(lè)體育設(shè)施.倉(cāng)庫(kù).展覽廳及超市.候車(chē)室等。 門(mén)式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕 壓型金屬板.玻璃棉

2、及冷彎薄壁型鋼等材料組成了門(mén)式剛架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，故屋面.墻面的質(zhì)量都很輕。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，單層輕型門(mén)式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為1030kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/201/30。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，在水平荷載也較小的情況下,相應(yīng)的基礎(chǔ)便可做得較小，處理地基費(fèi)用也較低。 (2)柱網(wǎng)布置較靈活 由于屋面板.墻板尺寸限制了傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，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(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用壓型金屬板，所以柱網(wǎng)布置可不受模數(shù)限制，柱距主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來(lái)確定。 (3)工業(yè)化程度高，施工周期短 門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的結(jié)

3、構(gòu)構(gòu)件可全部在工廠(chǎng)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(méi)有濕作業(yè)，構(gòu)件之間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓或焊縫連接，安裝便捷。 (4)綜合經(jīng)濟(jì)效益高 門(mén)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(lèi)少，構(gòu)件采用先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備制造，運(yùn)輸方便等。所以其工程周期短，資金回報(bào)快，投資效益相對(duì)較高。 在筆者多年的設(shè)計(jì)工作中,多數(shù)涉及的就是門(mén)式剛架輕型廠(chǎng)房結(jié)構(gòu), 在工程實(shí)踐中，門(mén)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，多跨剛架則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。 以下就于工程實(shí)踐中積累的幾點(diǎn)有益經(jīng)驗(yàn),

4、與各位同行共同分享與探討一下: 1.剛架間距的選取 在門(mén)式剛架廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)中，剛架間距的選取一般都是首要考慮的問(wèn)題，除了根據(jù)工藝要求來(lái)制定剛架間距外，還應(yīng)考慮剛架間距對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)及吊車(chē)梁的用鋼量,以及基礎(chǔ)的鋼筋混凝土用量的影響，合理的剛架間距對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)很重要。剛架的間距與剛架的跨度,風(fēng)荷載,屋面荷載,吊車(chē)荷載等均有關(guān)系。根據(jù)門(mén)規(guī)(CECS102：2002)規(guī)定，剛架間距宜為6m9m，最大也可采用12m。經(jīng)過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算證明，隨著剛架間距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當(dāng)間距增大到一定數(shù)值后，剛架用鋼量隨著間距的增大下降的幅度較小，而圍護(hù)結(jié)構(gòu).吊車(chē)梁的用鋼量會(huì)隨著間距的增大而

5、增大，就結(jié)構(gòu)的總用鋼量而言，隨著間距的增大先下降而后又上升。由此可見(jiàn)，在給定條件下，門(mén)式剛架存在一個(gè)最經(jīng)濟(jì)間距。通過(guò)對(duì)多項(xiàng)工程進(jìn)行試算比較得出結(jié)果，當(dāng)跨度為912m時(shí)，間距宜取6m；跨度為1218m時(shí)，間距宜取7.5m；跨度為1836m時(shí)，間距宜取7.59m。當(dāng)間距超過(guò)9m時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的用鋼量增加過(guò)多，施工增加難度，綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。 2.風(fēng)荷載體型系數(shù)s的選取 關(guān)于選取體型系數(shù)s的方法，目前主要有兩種,門(mén)規(guī)中的風(fēng)荷載體型系數(shù)是參考美國(guó)金屬房屋制造商協(xié)會(huì)MBMA低層房屋體系手冊(cè)(1996)而制定的，由于其對(duì)建筑物高度，高寬比及屋面坡度都有一定要求（見(jiàn)門(mén)規(guī)A.0.2規(guī)定），故應(yīng)慎重選取，而更多情

6、況是采用荷載規(guī)范(GB 50009-2001 2006年版)所規(guī)定的風(fēng)荷載體型系數(shù)。我國(guó)全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施結(jié)構(gòu)中規(guī)定，以建筑跨度與高度比值L/H做界定，對(duì)于門(mén)式剛架，當(dāng)L/H4且風(fēng)荷載較大，屋面荷載較小時(shí)按照門(mén)規(guī)考慮, 當(dāng)L/H4時(shí)按照荷載規(guī)范考慮。通過(guò)在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)門(mén)式剛架的高度較高時(shí)，按照荷載規(guī)范和門(mén)規(guī)所得出的結(jié)果，主要是柱頂位移值和柱平面外穩(wěn)定應(yīng)力差異大,梁柱截面計(jì)算結(jié)果差異就大。此時(shí)應(yīng)按照兩種規(guī)范同時(shí)驗(yàn)算，保證在兩種規(guī)范的取值下均可滿(mǎn)足，切勿只參考門(mén)規(guī)取值，造成結(jié)構(gòu)安全的隱患。 3.屋面活荷載的選取和布置 屋面活荷載選取的主要依據(jù)為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500

7、17-2003）3.2.1條，以及門(mén)規(guī)3.2.2條，對(duì)于屋面結(jié)構(gòu)，“均布活荷載通常取0.5KN/m2(計(jì)算屋面檁條時(shí)),受荷水平投影面積大于60 m2時(shí)可取不小于0.3KN/m2（僅限計(jì)算剛架）”，并且與雪荷載比較取二者較大值。需要注意以下兩點(diǎn),第一,根據(jù)荷載規(guī)范4.4.1規(guī)定“設(shè)計(jì)生產(chǎn)中有大量排灰的廠(chǎng)房及其鄰近建筑時(shí)對(duì)于具有一定除塵設(shè)施和保證清灰制度機(jī)械.冶金.水泥等的廠(chǎng)房屋面,其水平投影面上的屋面積灰荷載,應(yīng)分別按表4.4.1-1.2采用”,這里的積灰荷載不得遺漏,且積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載兩者中的較大值同時(shí)考慮;第二,在下雪地區(qū),即使雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于屋面均布荷載,但也會(huì)因?yàn)橛龅?/p>

8、有高低跨,帶天窗坡屋面,以及屋面坡度較大的多跨屋面而產(chǎn)生雪荷載不均勻分布,使局部雪荷載大于屋面均布荷載,所以在計(jì)算屋面檁條時(shí)，活荷載最小應(yīng)取0.5 KN/m2，但由于屋面不同區(qū)域的積雪分布系數(shù)（參照荷載規(guī)范6.2.1）不同，在計(jì)算檁條時(shí)不能一概而論，應(yīng)采用加大檁條截面.壁厚或者加密檁條的方法進(jìn)行設(shè)計(jì);在計(jì)算剛架時(shí)，應(yīng)考慮雪荷載的全跨均勻布置，全跨不均勻布置，半跨均勻布置三種情況，而在使用PKPM程序設(shè)計(jì)門(mén)式剛架時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)中“考慮活荷載最不利布置”一項(xiàng)不建議勾選，宜將上述三者視為互斥活荷載分別進(jìn)行驗(yàn)算。 4.剛架柱腳形式的選取 根據(jù)門(mén)規(guī)第414條規(guī)定“門(mén)式剛架的柱腳多按鉸接支承設(shè)計(jì)，通常為平板

9、支座，設(shè)一對(duì)或兩對(duì)地腳螺栓。當(dāng)用于工業(yè)廠(chǎng)房且有5t以上橋式吊車(chē)時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)成剛接”。但筆者在實(shí)踐中總結(jié)出門(mén)式剛架的柱腳是采用鉸接或是剛接還取決于房屋的高度和風(fēng)荷載的大小，如果房屋的高度較大且風(fēng)荷載也較大，無(wú)論有無(wú)吊車(chē)，如果柱腳采用鉸接，就可能造成柱頂位移超限，而為控制柱頂位移就要增大梁柱截面，增加用鋼量,設(shè)計(jì)就不經(jīng)濟(jì)；另外，門(mén)式剛架的柱腳是采用鉸接或是剛接還得考慮土質(zhì)情況及基礎(chǔ)造價(jià)。當(dāng)采用剛接柱腳，由于豎向荷載小, 風(fēng)荷載和吊車(chē)水平制動(dòng)荷載又相對(duì)較大時(shí)，基礎(chǔ)就要承受較大的偏心彎矩，基礎(chǔ)的平面尺寸和造價(jià)較采用鉸接柱腳的基礎(chǔ)要大，土質(zhì)情況差時(shí)，造價(jià)會(huì)增加許多。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)房屋高度.風(fēng)荷載

10、大小.有無(wú)吊車(chē).吊車(chē)的噸位和工作制及土質(zhì)情況等來(lái)綜合考慮選用何種柱腳形式。 5.梁，柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度的確定 門(mén)式剛架的屋面梁.邊柱，其平面外的計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)取其側(cè)向支撐點(diǎn)的間距。對(duì)于梁下翼緣（柱內(nèi)翼緣），常通過(guò)設(shè)置隅撐來(lái)減小其平面外計(jì)算長(zhǎng)度，此時(shí)的平面外計(jì)算長(zhǎng)度可取隅撐間距。而對(duì)于梁上翼緣（柱外翼緣）的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，一種方法是當(dāng)檁條(墻梁)與壓型鋼板間具有可靠連接，即壓型鋼板通過(guò)自攻螺釘或螺栓直接與檁條(墻梁)連接或采用間距不大于500mm的緊固件與檁條(墻梁)連接。此時(shí)可考慮屋面（墻面）所產(chǎn)生的蒙皮效應(yīng)，計(jì)算時(shí)可取2個(gè)檁距，一般為3米；另外如二者之間不具備可靠連接，則需要按照系桿的間距來(lái)確定其

11、平面外的計(jì)算長(zhǎng)度。需注意的是，對(duì)于門(mén)式剛架的邊柱，隅撐的作用只適用于無(wú)吊車(chē)的情況下，對(duì)于有吊車(chē)的情況，平面外計(jì)算長(zhǎng)度還應(yīng)通過(guò)柱間支撐，剛性系桿的合理布置來(lái)確定。 6.吊車(chē)梁制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置問(wèn)題 吊車(chē)梁作為廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)的重要組成部分,直接影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行,為了保證吊車(chē)安全運(yùn)行,除了保證吊車(chē)梁有足夠的強(qiáng)度和剛度,制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置也相當(dāng)重要。對(duì)于跨度或起重量較大的吊車(chē)梁，應(yīng)設(shè)置制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)結(jié)構(gòu)承受吊車(chē)的水平制動(dòng)力，保證吊車(chē)梁的整體穩(wěn)定，并且可作為檢修走道，須通過(guò)計(jì)算保證其強(qiáng)度，同時(shí)也要采取必要的構(gòu)造措施。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范8.5.9條中規(guī)定“重級(jí)工作制吊車(chē)梁跨度等于或大于12m，或輕.中級(jí)工作制吊車(chē)梁跨度等

12、于或大于18m時(shí)，宜設(shè)置輔助桁架和下翼緣(下弦)水平支撐系統(tǒng)?！贝藭r(shí)制動(dòng)梁的邊梁為輔助桁架的上弦。另外在實(shí)際設(shè)計(jì)中, 中.重級(jí)工作制吊車(chē)梁跨度等于9m.7.5m時(shí), 可選擇將制動(dòng)邊梁設(shè)計(jì)為型鋼梁;吊車(chē)梁跨度小于或等于6m，吊車(chē)起重量小于或等于50t且為中.輕級(jí)工作制又不需設(shè)安全走道時(shí)，只要計(jì)算通過(guò),可不設(shè)制動(dòng)結(jié)構(gòu)。 7.剛架支撐設(shè)置問(wèn)題 屋蓋支撐：抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2010)第9.2.12中規(guī)定“屋蓋支撐桿件宜用型鋼”，目前有些工程為了節(jié)省鋼材要求采用張緊圓鋼，其實(shí)在地震區(qū)這種作法是不妥的。平時(shí)人們僥幸認(rèn)為地震很少發(fā)生,對(duì)震害不夠重視,但事實(shí)上地震是低周反復(fù)震動(dòng)，不同于其他震動(dòng)，

13、震害較嚴(yán)重，其截面宜符合用型鋼的構(gòu)造要求。結(jié)合我國(guó)地震分布廣闊的實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)，一般建議8度及以上地震區(qū)應(yīng)用型鋼截面，7度及以下視剛架跨度和荷載大小可考慮是否一律采用型鋼，在非地震區(qū)方可使用張緊圓鋼。另外在實(shí)踐中曾遇到9m柱距的廠(chǎng)房中,且縱向剛性系桿的間距較大時(shí),導(dǎo)致型鋼交叉支撐的跨度也較大,施工完成后發(fā)現(xiàn)型鋼交叉支撐由于自重產(chǎn)生了較大的撓度,這樣就與軸心受拉構(gòu)件的計(jì)算假設(shè)差別甚遠(yuǎn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)在保證交叉支撐合理角度的范圍內(nèi),宜盡量減小縱向剛性系桿的間距以減小交叉支撐跨度。 柱間支撐：與屋蓋支撐相同,工程中也有采用張緊圓鋼的。由于柱間支撐為抗震中的主要受力構(gòu)件，它不僅要經(jīng)抗震計(jì)算確定

14、其構(gòu)件截面，還必須滿(mǎn)足不同烈度的長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)造要求，比屋蓋支撐要求更高，一般建議大于等于7度地震區(qū)宜用型鋼。在此強(qiáng)調(diào)，柱間支撐必須符合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第9.1.23中的布置和交叉支撐斜桿最大長(zhǎng)細(xì)比的規(guī)定，并經(jīng)縱向抗震計(jì)算確定桿件截面。 8.墻梁及檁條在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定計(jì)算 設(shè)計(jì)手冊(cè)中指出對(duì)于外側(cè)設(shè)有壓型鋼板或夾芯鋼板的墻梁及檁條均應(yīng)計(jì)算在風(fēng)吸力作用下受壓區(qū)內(nèi)翼緣的穩(wěn)定，但在筆者所見(jiàn)其他設(shè)計(jì)單位的不少設(shè)計(jì)中未計(jì)算其內(nèi)翼緣的穩(wěn)定，認(rèn)為影響安全。一般我們?cè)谠O(shè)計(jì)中會(huì)考慮墻梁拉條的位置是放在靠近外翼緣（外側(cè)墻）還是靠近內(nèi)翼緣。當(dāng)采用外側(cè)單側(cè)掛板時(shí)，拉條與墻梁的連接位置應(yīng)偏向墻面一側(cè)（即靠近外翼緣）以減少墻體自

15、重對(duì)墻梁的偏心影響，計(jì)算風(fēng)吸力作用下受壓區(qū)內(nèi)翼緣的穩(wěn)定，在風(fēng)荷載較小時(shí)，驗(yàn)算一般都能通過(guò)，但當(dāng)風(fēng)荷載較大時(shí)，驗(yàn)算就通不過(guò)，這種情況下如單純加大構(gòu)件截面過(guò)多的話(huà)就會(huì)造成設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)不合理，此時(shí)可在靠近內(nèi)翼緣處再加一道拉條，可作為墻梁在水平風(fēng)荷載下受壓內(nèi)翼緣的側(cè)向支點(diǎn)，以提高墻梁的風(fēng)荷載作用下的整體穩(wěn)定性；當(dāng)采用內(nèi)外側(cè)雙側(cè)掛板時(shí)，可僅在靠近墻梁的外翼緣處設(shè)置一道拉條，內(nèi)翼緣由內(nèi)側(cè)墻板構(gòu)造保證其側(cè)向穩(wěn)定性；另外當(dāng)采用自承重落地輕型墻時(shí)，墻自重直接傳至地基上，墻梁除本身自重外可按單向受彎構(gòu)件計(jì)算，故只需在內(nèi)側(cè)設(shè)置單側(cè)拉條。同理,對(duì)于屋面檁條, 當(dāng)采用外側(cè)單側(cè)掛板時(shí)，一般僅在檁條的上翼緣附近設(shè)置拉條,可通

16、過(guò)驗(yàn)算其下翼緣穩(wěn)定滿(mǎn)足即可,否則宜在檁條的上.下翼緣附近均設(shè)置拉條; 當(dāng)采用內(nèi)外側(cè)雙側(cè)掛板時(shí)，可僅在檁條上翼緣處設(shè)置一道拉條，下翼緣由內(nèi)側(cè)屋面板構(gòu)造保證其側(cè)向穩(wěn)定性。當(dāng)然為了有利于施工方便,應(yīng)盡量避免設(shè)置雙層拉條,尤其是當(dāng)墻梁和檁條的截面較小時(shí)?？傊?圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,經(jīng)濟(jì)性和施工難易度都是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中要綜合考慮的因素 9.連續(xù)檁條(墻梁)的連接要點(diǎn) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常的做法都是簡(jiǎn)支檁條(墻梁),這樣計(jì)算模型清晰,施工簡(jiǎn)便,但耗鋼量也較大,所以不少工程要求優(yōu)化設(shè)計(jì),采用連續(xù)檁條(墻梁)的做法。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),采用斜卷邊Z型連續(xù)檁條(墻梁)比簡(jiǎn)支檁條(墻梁)最大彎矩可減少15%20%,且變形大大減少

17、,用鋼指標(biāo)明顯低于簡(jiǎn)支檁條(墻梁)。為了保證連續(xù)檁條(墻梁)有效地傳遞彎矩,符合連續(xù)梁的計(jì)算假設(shè),如何連接檁條(墻梁)至關(guān)重要。首先建立一根五跨均勻連續(xù)梁在均布荷載作用下的彎矩和變形的計(jì)算模型,通過(guò)軟件先對(duì)這樣的五跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算,再對(duì)五跨連續(xù)搭接的梁 (端跨搭接長(zhǎng)度為0.15L,其中與第二跨的搭接量為0.1L,其余跨大街長(zhǎng)度均為0.1L,L為檁條(墻梁)跨度) 進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用均勻連續(xù)梁模型和搭接梁模型的計(jì)算結(jié)果基本接近。所以斜卷邊Z型檁條(墻梁)采用搭接連接可以連續(xù)承擔(dān)荷載,這種設(shè)計(jì)模型是可行的。對(duì)于連接節(jié)點(diǎn),搭接長(zhǎng)度在任何時(shí)候都不宜小于0.1L,多跨檁條(墻梁)中,端跨應(yīng)向第二跨再延伸,延伸長(zhǎng)度為0.15L時(shí)均能滿(mǎn)足要求;嵌套搭接僅需在搭接斷頭的腹板處設(shè)置一對(duì)螺栓;為保證一定的嵌套剛度且不至于使安裝難度過(guò)大,卷邊角度在60。左右為宜。由此可見(jiàn),在保證搭接