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

1、單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要： 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)鍵詞： 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(guó)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(guó)內(nèi)每年有上千萬(wàn)平方 M 的輕鋼建筑工程，主要用于輕型的廠房、倉(cāng)庫(kù)、 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、

2、 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(guó)內(nèi)工程實(shí)例

3、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1030kg/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1/201/30 。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

4、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6M ，當(dāng)采用12M 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

5、。(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?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 1/201/8 。單脊雙坡多跨剛架，用于無(wú)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

6、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)布置剛架的建筑尺寸和布置。門式剛架的跨度宜為936m ，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4.59m 。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 ?？v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）。檁條和墻梁的布置檁條間距的確定應(yīng)綜合考慮

7、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。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 3045m ，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 6

8、0m 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

9、荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等?？勺兒奢d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。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

10、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?？刂平孛娴膬?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

11、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 。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

12、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

13、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)

14、(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