門式鋼架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計研究

錢 晨

（南通市中房建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南通226000）

1 門式鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本表現(xiàn)

門式鋼架結(jié)構(gòu)由柱網(wǎng)、檁條、拉條、撐桿、斜梁、山墻骨架等構(gòu)成。由于具有明顯的穩(wěn)定性，因此被廣泛應(yīng)用于廠房、超市、庫房等的倉儲式建筑當(dāng)中。其穩(wěn)定性的基本表現(xiàn)如下：相比于外形類似的排架，門式鋼架的橫梁和立柱是剛性整體連接在一起的，可以承受垂直分布荷載作用下所傳遞的彎矩，有利于控制橫梁跨中的彎矩峰值，而排架橫梁和立柱的連接方式是鉸接，在均勻分布荷載的作用之下，其跨中彎矩的峰值要大于門式鋼架。因此，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，門式鋼架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更加明顯。譬如無鉸門式鋼架的柱腳和基礎(chǔ)固定連接，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布較為均勻，只要地基條件符合要求，柱腳產(chǎn)生的軸向壓力或者水平剪力等，就能夠一起作用在基礎(chǔ)之上。因此結(jié)構(gòu)剛度比較大，能夠滿足良好地基條件下的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性需求。再如兩鉸門式鋼架，其柱腳和基礎(chǔ)的連接方式是鉸接，無論是豎向荷載作用，還是水平荷載作用，其彎矩受荷能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無鉸門式鋼架。最大的優(yōu)點是鋼架的鉸接柱基都不用承受彎矩作用，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角基本對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會產(chǎn)生影響。由此可見，門式鋼架結(jié)構(gòu)具有明顯的穩(wěn)定性特征，但如何發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要從設(shè)計的角度對其構(gòu)件進(jìn)行逐個分析。

2 門式鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計研究

門式鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計內(nèi)容，包括主體鋼架結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、屋頂墻體的檁條、拉條、撐桿等的穩(wěn)定性設(shè)計。具體內(nèi)容如下：

2.1 承重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

門式鋼架結(jié)構(gòu)的承重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，與鋼架的間距、跨度以及屋面的荷載等因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)柱距的變化，鋼架的用鋼量也會隨著變化。譬如前者增大以后，后者就會逐漸下降，這說明門式鋼架結(jié)構(gòu)的承重穩(wěn)定性設(shè)計，必須設(shè)計優(yōu)化好最佳的柱距。門式鋼架的承重結(jié)構(gòu)組成部分是鋼架和基礎(chǔ)，在連接鋼架、墻梁、壓型鋼板之后與支撐共同完成鋼架結(jié)構(gòu)體系的受力。在設(shè)計時需根據(jù)建筑物的側(cè)向位移和變形限值要求，用門式鋼架結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的排架結(jié)構(gòu)，減少鋼架承重結(jié)構(gòu)的用鋼量，這樣就能夠制定出較為合理的承重結(jié)構(gòu)方案。

2.2 支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

門式鋼架的支撐結(jié)構(gòu)主要依靠剛性系桿構(gòu)件，其設(shè)計的主要內(nèi)容是型鋼或鋼管的選用，剛性系桿通過螺栓鉸接于鋼架，并根據(jù)系桿構(gòu)件截面的面積，計算出壓桿穩(wěn)定性的基本系數(shù)，尤其是鋼架的轉(zhuǎn)角或屋脊的連接位置。此外，剛性系桿之間的距離，也要滿足鋼架結(jié)構(gòu)平面穩(wěn)定性的基本需求，一般剛性系桿要采用類似于吊車梁等剛度比較大的材料。同時，為了起到水平支撐的作用，還需要用拉桿或壓桿支撐的方式，前者適用于對水平位移或變形要求不高的建筑物，滿足較小的水平力作用抵抗要求，后者則要綜合考慮各個溫度單元的中間位置，并在滿足有關(guān)設(shè)計規(guī)范的前提下，將屋面梁間的水平支撐和柱間垂直支撐共同設(shè)置在同一個開間內(nèi)。水平支撐除了以上的設(shè)置要求，還要在位于建筑物端部的溫度縫兩邊開間等位置，設(shè)置水平支撐，以發(fā)揮空間協(xié)同的作用。關(guān)于水平支撐構(gòu)件截面的大小，需要考慮支撐結(jié)構(gòu)對縱向水平力作用的適應(yīng)程度，然后通過水平力作用大小確定截面的面積，縱向水平力要求通過受力計算進(jìn)行確定。

2.3 檁條穩(wěn)定性設(shè)計

受彎構(gòu)件是體現(xiàn)門式鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要構(gòu)件之一，檁條就是門式鋼結(jié)構(gòu)的重要受彎構(gòu)件。在對其穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計的時候，需對沿著截面形心兩個主軸方向的內(nèi)力進(jìn)行分析，然后計算出彎矩的強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等參數(shù)。檁條的壓彎板件寬度和厚度都比較大，在受力狀態(tài)下，呈現(xiàn)的形態(tài)是屈曲，由此其強(qiáng)度的計算必須考慮面板約束的有效性與否，并減弱原來截面的強(qiáng)度，譬如采用釘孔法進(jìn)行減弱。筆者認(rèn)為計算時采用凈截面，是提高檁條應(yīng)力的關(guān)鍵。不僅如此，檁條的作用不僅僅用于屋面板和懸掛面板等的支撐，還用于鋼架梁柱隅撐，由此隅撐的增設(shè)具有一定必要性，以便將鋼架平面以外的計算長度縮短，這是提高鋼架平面外結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。

2.4 拉條和撐桿穩(wěn)定性設(shè)計

拉條的作用是在檁條側(cè)向剛度不足的時候而設(shè)置的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。某些檁條的側(cè)向剛度比較大，因此不需要設(shè)置拉條，譬如輕型H型鋼等；而某些檁條的側(cè)向剛度比較薄弱，則需要在檁條中間設(shè)置拉條，以起到側(cè)向支撐的作用，從而避免檁條出現(xiàn)側(cè)向變形或者扭轉(zhuǎn)的情況，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。一般考慮是否設(shè)置拉條，要結(jié)合檁條的跨度，如果檁條跨度4～6m，則拉條設(shè)置的位置是檁條跨中；如果檁條的跨度在6m以上，則拉條設(shè)置的位置在檁條跨度的三分點位置，而且還要將斜拉條設(shè)置于檐口位置。拉條的直徑，要結(jié)合荷載的大小和檁條距離的大小，在8～12mm之間選取。除拉條外，撐桿也是維持檁條穩(wěn)定性防止檁條失穩(wěn)的關(guān)鍵構(gòu)件，用于對檐口、天窗缺口位置邊檁條側(cè)向彎矩的限制，撐桿的常見類型有鋼管、方管、角鋼等，在設(shè)置撐桿的同時，需要設(shè)置斜拉條。

3 結(jié)語

綜上所述，門式鋼架結(jié)構(gòu)具有明顯的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于廠房、超市、庫房等的倉儲式建筑中。如兩鉸門式鋼架，其柱腳和基礎(chǔ)的連接方式是鉸接，無論是豎向荷載作用，還是水平荷載作用，其承受荷載的能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無鉸門式鋼架。其最大的優(yōu)點是鋼架的鉸接柱基都不用承受柱底彎矩作用，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角基本對其結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會產(chǎn)生影響。關(guān)于門式鋼架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計，包括承重結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、檁條、拉條、撐桿等內(nèi)容，在設(shè)計的時候需要根據(jù)建筑物的側(cè)向位移方向和變形大小，并考慮支撐結(jié)構(gòu)對縱向水平力作用的適應(yīng)程度，對沿著截面形心主軸方向的兩個內(nèi)力進(jìn)行分析，然后計算出彎矩的強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性等參數(shù)，以全面提高門式鋼架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

[1] 藍(lán)碧峰.輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)工程淺析[J].科學(xué)與財富，2012（8）：147.

[2] 萬春.輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用[J].四川水力發(fā)電，2010（4）：87-88.