冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架應(yīng)用現(xiàn)狀

徐長(zhǎng)征 羅永峰

冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是一種采用冷彎薄壁型鋼作為主要承載的梁柱構(gòu)件，采用門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)形式的輕型鋼結(jié)構(gòu)體系，這樣的結(jié)構(gòu)形式在美國(guó)及澳洲等國(guó)家已得到了廣泛的應(yīng)用；主要運(yùn)用在單跨跨度不超過(guò)36m的工業(yè)類(lèi)房屋如倉(cāng)庫(kù)、輔房，以及農(nóng)業(yè)類(lèi)建筑如雞舍、馬棚等，具有安全、快速、經(jīng)濟(jì)、便捷等優(yōu)勢(shì)。

門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)已廣泛運(yùn)用在工業(yè)廠房領(lǐng)域，具有跨度大，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，安裝快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，一般采用變截面焊接H型鋼作為剛架梁柱構(gòu)件。但考慮到目前焊接H型鋼一般最薄采用5mm板件、加工需要構(gòu)件詳圖、加工工藝工序多等因素，對(duì)于小跨度的單層工業(yè)房屋，特別是跨度小于15m、不帶行車(chē)的廠房建筑，其經(jīng)濟(jì)性難以保證，故而采用冷彎薄壁型鋼構(gòu)件作為承重梁柱構(gòu)件不失為更經(jīng)濟(jì)、更快捷的選擇。澳洲Ranbuild公司在冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)運(yùn)用上，有著成熟的產(chǎn)品和多年的經(jīng)驗(yàn)，他們采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化制造的模式把冷彎薄壁型鋼廣泛用于小型工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)房屋以及一些農(nóng)業(yè)雞舍類(lèi)房屋，其最大跨度可以達(dá)到36m。

1 冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)

1.1剛架形式

典型的冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛結(jié)結(jié)構(gòu)的形式如圖1所示。冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架一般用于沒(méi)有行車(chē)的單層工業(yè)房屋，局部可以有夾層。根據(jù)澳洲Ranbuild公司的技術(shù)資料[5][6]顯示，其單跨最大跨度可以達(dá)到36m，當(dāng)跨度大于13.8m時(shí)應(yīng)采用圖1中的類(lèi)型c，即屋脊處應(yīng)設(shè)置有水平拉桿；最大柱頂高度可以達(dá)到7.3m；最大柱距可達(dá)到9m；屋面坡度范圍為10~27度，最通常采用的屋面坡度為10度。

圖1 典型冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架

用于剛架梁、柱構(gòu)件一般為冷彎薄壁C型鋼，截面高度為C200~C350，材料厚度1.5mm~3.0mm，材料強(qiáng)度為340MPa和450MPa，材料通常為連續(xù)熱浸鍍鋅表面處理，鍍鋅量通常為Z275，截面型式可為單根構(gòu)件截面或兩根構(gòu)件背靠背截面，如圖2所示，采用組合截面時(shí)，構(gòu)件間連接采用高強(qiáng)螺栓。

圖2 典型梁柱截面型式

特別要注意的是，為了減小冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架的屋面梁饒度偏大，影響正常使用，澳洲Ranbuild公司采取了一些預(yù)起拱的措施，當(dāng)跨度超過(guò)12m時(shí)考慮預(yù)起拱，柱頂向內(nèi)偏移，屋脊向上偏移，具體詳表1所示。

這樣采用冷彎薄壁型鋼作為梁柱承重構(gòu)件，具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1.1.1 在適合的項(xiàng)目類(lèi)型中，相比焊接H型鋼具有更好的用鋼量經(jīng)濟(jì)性。特別是當(dāng)跨度小于15m時(shí)，其用鋼量相比焊接H型鋼可以節(jié)省20%。

1.1.2 項(xiàng)目運(yùn)作更快更便捷。其詳圖設(shè)計(jì)過(guò)程相比變截面焊接H型鋼更簡(jiǎn)單更省設(shè)計(jì)工時(shí)，同時(shí)冷彎成型的加工工藝比焊接更省人工更快捷。

1.1.3 更標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)更好的質(zhì)量。這樣的結(jié)構(gòu)形式一般都采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，包括構(gòu)件截面標(biāo)準(zhǔn)化、連接節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而使得加工的質(zhì)量更容易保證。

1.1.4 更好的耐腐蝕性能。冷彎薄壁型鋼一般采用Z275鍍鋅表面處理，相比油漆處理的焊接H型鋼有著更好的耐腐蝕性能。

表1 剛架預(yù)起拱

1.2支撐形式

典型的屋面及柱間支撐型式包括鋼拉帶和圓鋼兩種形式，鋼拉帶的常規(guī)厚度為1.5~2.5mm，與梁、柱的外翼緣連接，且與屋、墻面檁條的翼緣連接，連接均采用自攻釘連接方式，拉帶端部的連接自攻釘?shù)臄?shù)量由計(jì)算決定。圓鋼支撐通常采用M16~M20的圓鋼，通常是側(cè)向荷載較大時(shí)作為柱間支撐使用，連接采用高強(qiáng)度螺栓與柱的翼緣連接，可僅設(shè)置在柱的外翼緣側(cè)，若需要更大的承載力，可在柱的內(nèi)、外翼緣雙側(cè)同時(shí)設(shè)置圓鋼支撐。柱間支撐形式詳見(jiàn)圖3所示。

圖3 典型支撐形式

1.3連接形式

冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架的連接主要采用高強(qiáng)度螺栓承壓型連接的方式，也會(huì)采用自攻釘連接的形式作為補(bǔ)充，高強(qiáng)度螺栓均采用雙墊片，連接處的連接件多為標(biāo)準(zhǔn)化連接件。對(duì)于圖1中類(lèi)型a的剛架形式，梁柱連接節(jié)點(diǎn)和屋脊梁梁連接節(jié)點(diǎn)均為半剛性連接節(jié)點(diǎn)，剛度系數(shù)由實(shí)驗(yàn)得出。連接形式詳見(jiàn)圖4~圖5所示。對(duì)于圖1中的類(lèi)型b和類(lèi)型c的剛架形式，由于增加了柱頂斜撐桿及屋脊水平拉桿，梁柱連接及屋脊梁梁連接均采用鉸接連接節(jié)點(diǎn)，連接形式詳見(jiàn)圖6~圖7所示。柱腳一般考慮為鉸接連接，常見(jiàn)的連接形式詳見(jiàn)圖8~圖9所示。事實(shí)上，根據(jù)澳洲Ranbuild公司的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣的連接依然有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

圖4 梁柱半剛性

圖5 梁梁半剛性連接

圖6 梁柱鉸接

圖7 梁梁鉸接

圖8 柱腳A

圖9 柱腳B

2 項(xiàng)目案例

2.1工程概況

博思格鋼鐵-藍(lán)璀建筑鋼結(jié)構(gòu)（上海）有限公司在國(guó)內(nèi)已有冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用，以下作一案例介紹。某單層門(mén)式剛架廠房結(jié)構(gòu)，建筑總長(zhǎng)度91.95m，總寬度23.15m，柱頂高度為4.46m，屋面坡度10度，結(jié)構(gòu)橫向?yàn)閱慰纾缍?0.75m，縱向柱距6m，整個(gè)建筑的施工過(guò)程中的照片及平面布置圖和剛架立面圖如圖10~圖12所示。

圖10 施工中照片

圖14 主要?jiǎng)偧苓B接節(jié)點(diǎn)

圖11 平面布置圖

圖12 剛架立面圖

圖13 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2荷載取值及計(jì)算模型

考慮以下荷載條件：

▲屋面采用120mm厚夾芯彩鋼板，恒載0.3kN/m2，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算；

▲設(shè)備管線(xiàn)吊掛荷載由相關(guān)設(shè)備方提供，相當(dāng)于均布荷載0.10KN/m2，實(shí)際分析時(shí)按集中荷載的形式計(jì)算；

▲屋面活荷載0.5KN/m2，用于設(shè)計(jì)剛架時(shí)折減為0.3KN/m2；

▲基本風(fēng)壓0.65KN/m2，地面粗糙度B類(lèi)；

▲基本雪壓0.35KN/m2；

▲抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖13所示，采用的構(gòu)件截面詳見(jiàn)表2所示。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用PKPM-STS軟件設(shè)計(jì)。

主要的剛架連接節(jié)點(diǎn)詳見(jiàn)圖14所示。

2.3分析結(jié)果

主要分析計(jì)算結(jié)果為：

▲風(fēng)荷載作用下的柱頂側(cè)移為6.1mm；

▲在屋面恒、活荷載組合工況下，屋脊處最大豎向位移為47mm；其中恒載作用下的屋脊處豎向位移為24.6mm，活荷載作用下的屋脊處豎向位移為22.4mm；

▲最大應(yīng)力比：柱0.87（強(qiáng)度應(yīng)力比），梁0.85（強(qiáng)度應(yīng)力比）。

具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖15所示。

表2 構(gòu)件截面表

圖15 主要分析計(jì)算結(jié)果

2.4設(shè)計(jì)及施工中的問(wèn)題

2.4.1 變形問(wèn)題

由于鍍鋅表面摩擦系數(shù)較低，所以螺栓連接處都會(huì)有一定的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，這造成了額外的剛架變形，主要反映在屋脊處的豎向位移。根據(jù)計(jì)算分析的結(jié)果，在恒載作用下的屋脊處豎向位移為24.6mm，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，此處在恒載作用下的位移約50~60mm，這與計(jì)算值之間存在了巨大的差異。分析下來(lái)，有兩個(gè)因素：一是制作誤差；二是構(gòu)件間滑移造成的。后來(lái)采取了一些措施彌補(bǔ)：首先，所有連接處的構(gòu)件表面采取了現(xiàn)場(chǎng)清洗以去除油污的措施，從而增大表面間的摩擦系數(shù)；另外，將屋脊處豎桿替換為更短的豎向桿件，從而把這個(gè)位移差彌補(bǔ)回來(lái)了一些。對(duì)于設(shè)計(jì)工作而言，目前根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003），承壓型連接的設(shè)計(jì)不再要求摩擦系數(shù)，但如果摩擦系數(shù)太低也會(huì)對(duì)正常使用帶來(lái)一定的不便，現(xiàn)有的規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）中還沒(méi)有鍍鋅接觸面的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)，為此應(yīng)有必要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試補(bǔ)充此類(lèi)數(shù)據(jù)。

2.4.2 制作問(wèn)題

冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架需要用到350高的C型檁條，同時(shí)孔位種類(lèi)較多，最多時(shí)同一截面上需要四組鉆頭鉆孔，就目前國(guó)內(nèi)的檁條加工廠加工能力而言，還有一些差距。同時(shí)，加工精度也存在問(wèn)題，目前檁條的制作標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)《門(mén)式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件》（JGJ144-2002）執(zhí)行，其中對(duì)檁條的孔位尺寸的誤差要求偏低，這主要是因?yàn)槟壳暗臋_條都是用作次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如屋面檁條和墻面檁條，但作為主結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件時(shí)，孔位的精度要求應(yīng)有所提高。這樣的加工精度要求，再結(jié)合鍍鋅構(gòu)件表面摩擦系數(shù)較低，從而產(chǎn)生了上述的剛架額外變形，這對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的驗(yàn)收也產(chǎn)生了一定難度。

2.4.3 防火問(wèn)題

上述的這個(gè)項(xiàng)目實(shí)例沒(méi)有防火的要求。但如果碰到有防火要求的建筑，特別是二級(jí)耐火等級(jí)以上要求的建筑，可能會(huì)有一定問(wèn)題。目前鍍鋅檁條涂刷防火涂料，考慮到涂料附著力的因素，一般只能涂刷薄型防火涂料。曾有鋼結(jié)構(gòu)公司做過(guò)實(shí)驗(yàn)，采取了先涂刷特定的底漆后涂刷薄型防火涂料的做法，最多能達(dá)到1.5小時(shí)耐火極限，這是一種比較好的方法，但這依然不能滿(mǎn)足二級(jí)耐火等級(jí)時(shí)單層房屋的柱子2.0小時(shí)的耐火極限要求。另外一方面，檁條截面有卷邊，這對(duì)于涂刷防火涂料有一定難度，同時(shí)其涂刷面積會(huì)因?yàn)殇摪灞《兊妮^大，經(jīng)濟(jì)型較難保證。

3 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)的介紹了冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的工程案例對(duì)所碰到的一些設(shè)計(jì)及施工中的問(wèn)題進(jìn)行了討論。關(guān)于冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)已有多篇文獻(xiàn)[7][8]討論，在此筆者提出以下幾點(diǎn)，會(huì)是今后需進(jìn)一步研發(fā)的方面：

3.1 半剛性連接節(jié)點(diǎn)。對(duì)于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件間的連接，很難做到完全剛性連接，更趨向半剛性的特征，澳洲Ranbuild公司做了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了相關(guān)的節(jié)點(diǎn)剛度系數(shù)，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

3.2 柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。目前的規(guī)范中規(guī)定的柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)沒(méi)有計(jì)及半剛性連接節(jié)點(diǎn)的影響，由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)虛弱了框架的抗側(cè)剛度，所以現(xiàn)有的柱子計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可能偏不安全。

3.3 彩鋼板的蒙皮效應(yīng)。冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架的抗側(cè)剛度比較小，因而設(shè)計(jì)中考慮彩鋼板維護(hù)系統(tǒng)的蒙皮效應(yīng)會(huì)對(duì)抗側(cè)剛度有較大提高。澳洲Ranbuild公司的設(shè)計(jì)中考慮了維護(hù)系統(tǒng)的蒙皮效應(yīng)，其蒙皮效應(yīng)的承載力數(shù)據(jù)主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.4 抗震性能。目前關(guān)于冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究不多，但對(duì)于設(shè)計(jì)而言仍然需要有這方面的數(shù)據(jù)給予指導(dǎo)。特別是除了彈性階段抗震計(jì)算之外，對(duì)于高烈度區(qū)，是否需要進(jìn)行一些構(gòu)造措施以保證抗震性能。

[1]GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2]GB50018-2002.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

[3]CECS102：2002.門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4]JGJ144-2002.門(mén)式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[5]Ranbuild,CovermasterAssemblyGuide.

[6]Ranbuild,BIGGASSEMBLYGUIDE.

[7]盧林楓，董劉方，李坤.冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與展.四川建筑科學(xué)研究，2008，34（1）.

[8]盧林楓，董劉方，周緒紅.冷彎薄壁型鋼門(mén)式剛架極限承載力影響因素.重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）.