門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計淺談與用鋼量分析

黃宇峰

機械工業(yè)第四設(shè)計研究院，河南 洛陽 471039

0 引言

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)是指具有輕型屋蓋和輕型外墻的單層實腹門式剛架結(jié)構(gòu)，這里的輕型主要是指圍護是用輕質(zhì)材料（也可以有條件采用砌體外墻）。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)是近十年來在我國迅速發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)體系，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、倉庫等眾多的工業(yè)和民用建筑中。此種結(jié)構(gòu)形式具有許多優(yōu)點，如：大跨度、大空間能滿足業(yè)主在空間上的要求；自重輕，地震作用小，抗震性能好；施工速度快、周期短能滿足業(yè)主工程建設(shè)時間緊的要求?？傊T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)這一新型結(jié)構(gòu)形式有許多優(yōu)點，近些年來在我國取得了廣泛的應(yīng)用。針對這一情況2002年國家專門頒布了《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）來指導(dǎo)門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用，為其迅猛發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

1 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題

1.1 適用范圍

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》1.0.2規(guī)定其僅適用于單跨或多跨實腹式門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或起重量不大于20t的A1～A5控制級別的橋式吊車或3t的懸掛式起重機的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)。此條規(guī)定從結(jié)構(gòu)形式、屋蓋、墻面、吊車噸位、層數(shù)、材料等六方面規(guī)定了技術(shù)規(guī)程的適用范圍。注意，砌體外墻不屬于輕型外墻，但在抗震設(shè)防烈度低于9度的地區(qū)內(nèi)也可以采用。

1.2 鋼材材質(zhì)的選取

門式剛架最常用的兩種鋼材為Q235B和Q345B兩種牌號的鋼材。這兩種鋼材物理性能指標(biāo)一致，市場價格相差不大，其力學(xué)性能卻差別很大，最顯著的差別在于其屈服點的高低。通常有兩種情形下可選用Q235B鋼。一是結(jié)構(gòu)跨度、荷載并不大，構(gòu)件的最大應(yīng)力小于Q235B的容許應(yīng)力，一是結(jié)構(gòu)對變形要求較高（如梁有吊頂?shù)龋?，或者?gòu)件的撓度較大而超限，此時對構(gòu)件尺寸起控制因素的并不是構(gòu)件的強度，而是結(jié)構(gòu)的撓度，此時采用Q235鋼可能會取得更好的經(jīng)濟效益。

1.3 荷載取值

門式剛架設(shè)計時，通常剛架的受荷水平投影面積≥60m2，故屋面均布活荷載標(biāo)準值可取為0.3Kn/m2。但應(yīng)注意在計算屋面檁條的強度、穩(wěn)定時，屋面均布活荷載標(biāo)準值依然要取為0.5Kn/m2。且屋面均布活荷載與雪荷載不應(yīng)同時考慮，二者取大值即可。對于風(fēng)荷載由于門式剛架自重輕，整體性相對較差，對風(fēng)荷載作用較敏感，且各構(gòu)件對風(fēng)荷載作用的敏感性也不同?！堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》按不同構(gòu)件分為剛架、檁條等5類，分別給出了不同的風(fēng)荷載體型系數(shù)。這些體型系數(shù)與《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）給出的體型系數(shù)有較大差別，這在設(shè)計中應(yīng)予以充分重視。由于門式剛架多為坡屋面，易積雪，剛架轉(zhuǎn)角處檁條應(yīng)加密布置，以應(yīng)對屋面積雪不均勻分布情況。

1.4 主剛架計算

主剛架通常由邊柱、中柱和斜梁組成。邊柱和斜梁一般根據(jù)彎矩包絡(luò)圖的形狀設(shè)計成變截面以達到節(jié)約材料的目的。中柱以承受軸力為主，一般采用等截面。變截面剛架分析一般采用彈性分析方法。剛架斜梁的平面外計算長度應(yīng)取側(cè)向支撐點間的距離。當(dāng)斜梁的上翼緣受壓時，上翼緣上連接的檁條可視為其側(cè)向支撐點。當(dāng)斜梁下翼緣受壓時，必須在受壓下翼緣側(cè)面布置隅撐，作為斜梁的平面外側(cè)向支撐，隅撐另一端連接在檁條上。通常在考慮鋼柱平面外計算長度時，柱腳均按鉸接考慮。這是因為即使是剛接柱腳，其平面內(nèi)的抗彎剛度要遠高于其平面外的抗彎剛度，為安全計一般均認為平面外屬于鉸接。剛架柱頂一般設(shè)有系桿，縱向設(shè)有柱間支撐，因此，可將柱頂結(jié)點視為無側(cè)移的鉸接結(jié)點。

1.5 支撐體系

門式剛架結(jié)構(gòu)中支撐體系對保證結(jié)構(gòu)的整體安全至關(guān)重要。在實際工程很少有因為強度不夠造成結(jié)構(gòu)坍塌的，但是因為支撐體系設(shè)置不夠或不合理而造成的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞倒是屢見不鮮。在設(shè)置支撐時，應(yīng)注意在設(shè)置柱間支撐的開間，宜同時設(shè)置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。對設(shè)置有5t及以上的吊車時，柱間支撐不能采用圓鋼拉條，而必須采用型鋼支撐。屋蓋橫向支撐應(yīng)設(shè)置在溫度區(qū)間端部的第一個或第二個開間，當(dāng)設(shè)置在第二個區(qū)間時，在第一開間內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)置剛性系桿，以保證荷載能傳至屋蓋的橫向支撐。

2 用鋼量分析

通過總結(jié)最近幾年筆者所設(shè)計的幾個典型的門式剛架，計算其用鋼量，分析門式剛架結(jié)構(gòu)用鋼量的影響因素，總結(jié)規(guī)律，詳見表1。

工程地點恒、活荷載(kn·m2)風(fēng)荷載(kn·m2)吊車情況抗震設(shè)防烈度跨度(m)柱距(m)單 榀主 剛架 重量（kg）主剛架用鋼量(kg/m2)荷載/用鋼量墻檁用鋼量(kg/m2)屋檁用鋼量(kg/m2)山東聊城0.30.35 0.4510 t中級 7° 2X18+21 7.55607 13.1 4.965.074.7

表1 門式剛架用鋼量分析表

不同荷載情況下，門式剛架會有不同的用鋼量。為了衡量不同荷載情況下的門式剛架的用鋼量，建議采用荷載/用鋼量這一指標(biāo)來比較。所謂荷載/用鋼量是指豎向均布部恒、活荷載標(biāo)準值相加后與主剛架每平米用鋼量的比值。其含義是每平米用鋼量可承受的豎向荷載，這是衡量設(shè)計是否經(jīng)濟合理的重要指標(biāo)。

2.1 平面布置對荷載/用鋼量的影響

門式剛架的平面布置合理與否對門式剛架結(jié)構(gòu)用鋼量起決定性作用。平面布置對用鋼量的影響體現(xiàn)柱距、跨度、柱腳形式等方面。當(dāng)柱距為7～9m時，剛架的用鋼量基本穩(wěn)定，荷載/用鋼量大致在5～6之間。當(dāng)柱距小于7m時，隨著柱距的增加，用鋼量在減??；當(dāng)柱距超過9m時，每平米用鋼量略有減小，但此時圍護結(jié)構(gòu)、吊車梁、支撐等的用鋼量明顯增加，兩者相抵后，總用鋼量反而是增加的。故門式剛架存在一個最優(yōu)柱距，按筆者設(shè)計體驗，此最優(yōu)柱距在7～9m，隨豎向荷載大小而變，用鋼量以其成反比關(guān)系。門式剛架的合理跨度在18～36m，跨度過小鋼材性能發(fā)揮不出來，跨度太大導(dǎo)致截面增大，用鋼量不經(jīng)濟。若屋面梁下有懸掛吊車或者屋面荷載較大，則用鋼量對跨度的敏感性會大大增強。中柱柱腳、柱頂多采用鉸接，這樣使中柱只受軸力也能降低用鋼量。

2.2 風(fēng)荷載、吊車荷載對荷載/用鋼量的影響

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、豎向荷載小，所以受風(fēng)荷載影響明顯，剛架截面尺寸大小在絕大多數(shù)情況取決于風(fēng)荷載。從表一可以看出，當(dāng)風(fēng)荷載為0.45Kn/m2時，其荷載/用鋼量約為5；當(dāng)風(fēng)荷載為0.35Kn/m2時，其荷載/用鋼量為5.5～6。隨著風(fēng)荷載的減小，荷載/用鋼量數(shù)值明顯上升。吊車荷載對荷載/用鋼量的影響在吊車荷載較小時并不明顯，只有當(dāng)?shù)踯嚭奢d超過一定數(shù)值后，才會明顯影響剛架的荷載/用鋼量，吊車荷載的影響多體現(xiàn)在吊車梁的用鋼量上。門式剛架由于自重輕、地震作用比較小，因而在絕大多數(shù)情況門式剛架的抗震設(shè)防烈度不會成為用鋼量的決定性因素，除非設(shè)置有噸位較大的吊車或者屋面有較大的懸掛荷載。

3 結(jié)論

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)注意其適用范圍、材料、荷載、計算長度及支撐的設(shè)置。門式剛架的用鋼量與荷載有密切的關(guān)系，其荷載/用鋼量影響因素有結(jié)構(gòu)的平面布置（如柱距、跨度、柱腳連接方式等）、風(fēng)荷載、吊車荷載、抗震設(shè)防烈度等。

[1]CECS102：2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京：中國計劃出版社，2003.

[2]何敏.輕型門式剛架廠房設(shè)計中若干問題的探討.福建建設(shè)科技，2009（1）.

[3]王世鋼，曲鍍，沈強.單層門式剛架廠房設(shè)計分析.建筑設(shè)計管理，2009（2）.