門式剛架結構廠房設計與分析

任峰

摘要：隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鋼結構廠房越來越多的應用在工業(yè)建筑中，尤其是一些重型廠房的建設，受到混凝土結構性能的限制，更多地采用鋼結構，鋼結構與混凝土結構相比，具有質(zhì)量輕，剛度大，抗震性能好，建造速度快，工廠化程度高，環(huán)境影響小等優(yōu)點，鋼管混凝土柱更是充分發(fā)揮了鋼材受拉混凝土受壓的優(yōu)勢，大大提高了剛架的承載能力和側向剛度，使結構具有良好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：門式；剛架；鋼結構；廠房；設計；分析

1 門式剛架結構的特點

門式剛架輕型房屋鋼結構起源于美國，經(jīng)歷了近百年的發(fā)展，目前已成為設計、制作與施工標準相對完善的一種結構體系。作為傳統(tǒng)的結構體系之一，門式剛架結構主要包括剛架梁、剛架柱、支撐、屋蓋體系和山墻骨架等。門式剛架結構受力簡單、傳力路徑明確、構件制作快捷、施工技術成熟、施工周期短。因此廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設施等工業(yè)與民用建筑中。

門式剛架結構已成為當今輕型化建筑結構的主要形式。它能夠有效地利用材料，其構件尺寸小，重量輕，可以在工廠進行批量生產(chǎn)，能夠保證質(zhì)量，在工地安裝連接方便快捷，柱網(wǎng)尺寸布置自由靈活、能滿足不同氣候環(huán)境條件下的施工和使用要求。其優(yōu)越性和經(jīng)濟效益是不言而喻的。在鋼結構廠房中，帶吊車門式剛架結構廠房具有上述特點，廣泛應用于工業(yè)廠房中。

2 門式剛架結構的設計

2.1 柱間支撐的設計

支撐系統(tǒng)對剛架結構具有十分重要的作用，支撐的布置、截面形式既要滿足結構穩(wěn)定性的要求，也要滿足工藝生產(chǎn)流程的要求。

柱間支撐的布置應遵循《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）、《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）的規(guī)定，柱間支撐形式宜采用交叉式，也可以根據(jù)具體條件采用人字形。如工藝要求考慮柱間交通或設備布置以及柱距較大時，可采用門架式支撐。

交叉式支撐的斜桿與水平面的交角宜取35～55度，且不宜大于55度。

柱間支撐承受水平力作用，包括風荷載、吊車縱向水平荷載、作用在廠房結構上的其他水平荷載以及抗震設計時廠房地震作用。各種水平荷載均按集中力作用在支撐節(jié)點上考慮。

（4）當廠房結構單元的縱向長度大于規(guī)定的伸縮縫最大間距的規(guī)定時，尚應考慮季節(jié)溫度變化引起的溫度作用。

柱間支撐的連接應滿足以下規(guī)定：

支撐桿件之間相交連接點以及支撐與柱的連接點應設置節(jié)點板，節(jié)點板的厚度根據(jù)計算確定，但不可小于10mm。

（2）支撐桿與交叉點節(jié)點板的連接應采用焊接，與端部節(jié)點板的連接宜采用焊接，也可以采用高強螺栓連接。

（3）柱間支撐節(jié)點連接焊縫及柱內(nèi)預埋件的承載力應大于支撐桿件的承載力，一般情況下，節(jié)點連接焊縫及柱內(nèi)預埋件計算的作用力設計值取支撐桿件全截面抗拉強度設計值。對于單角鋼交叉式支撐桿，其端部的連接計算應計入強度折減，強度折減系數(shù)系按國家現(xiàn)行標準《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）的規(guī)定采用。

（4）交叉式支撐桿有一根在交叉點中斷時，交叉節(jié)點板應予加強，其承載力不小于支撐桿件承載力的1.1倍。

（5）支撐桿件的截面應力比不宜大于0.75。

（6）柱間支撐節(jié)點板與鋼筋混凝土柱預埋件的連接以及與鋼柱的連接應采用焊接。

（7）柱間支撐與構件連接不應小于支撐桿件塑性承載力的1.2倍。

2.2 屋蓋支撐的設計

（1）屋蓋上下弦水平橫向支撐承受風荷載、懸掛吊車水平荷載和地震作用。傳遞給縱向柱列。同一廠房結構單元由屋蓋承受的水平荷載和地震作用，由該結構單元所有的橫向水平支撐共同承受。

（2）橫向水平支撐可采用交叉腹桿桁架形式。

（3）橫向水平支撐在水平荷載和地震作用下，桿件內(nèi)力按水平桁架進行計算，每個節(jié)點的交叉斜腹桿按一根受拉，另外一根為零桿考慮。

支撐桿件和連接構造應滿足下列要求：

支撐和系桿桿件宜采用型鋼。壓桿宜采用雙角鋼組成的十字形或T形截面；拉桿可采用單角鋼。

（2）支撐桿件之間以及支撐（系桿）與屋架應采用節(jié)點板連接，節(jié)點板的厚度一般采用6～8mm。支撐（系桿）與屋架采用螺栓連接時，每個節(jié)點不應少于兩個螺栓，直徑不小于16mm。

3 鋼結構廠房的設計過程中需要注意的問題

1）鋼結構廠房的結構布局在滿足工藝要求的前提下，應著重結構的空間整體性和各種水平荷載的傳遞路線的連續(xù)性。屋蓋支撐，柱間支撐及圍護結構的布置必須合理，以保障廠房的縱橫向穩(wěn)定和剛度，滿足強度和變形的要求。

2）對于鋼結構廠房，要嚴格控制節(jié)點位移，尤其要保證柱頂及吊車梁頂面處的位移量。相對而言，在保證吊車設備正常運行的前提下，鋼梁的撓度可適當放寬，有時為達到節(jié)約鋼材量的目的，可通過預先起拱等施工技術達到設計要求。

3）在剛架的整體計算時，應考慮吊車橋架引起的地震作用對結構的影響。

4）支撐桿件除抵抗風荷載，吊車荷載及與支撐平面平行的各種荷載外，還應滿足穩(wěn)定性及長細比等的要求，同時還必須具有一定的抗側傾剛度。

5）目前對于鋼結構的設計方法是以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法。但此種方法在設計中存在一定的缺陷。

（1）結構內(nèi)力計算模式與構件承載力計算模式不一致；（2）結構整體失穩(wěn)的計算模式與實際失穩(wěn)狀態(tài)不一致；（3）不同結構整體承載力極限狀態(tài)可靠度水平不一致；（4）現(xiàn)行設計方法不能準確預測結構體系的破壞模式和極限承載力。因此在設計過程中，構件的尺寸不能僅僅滿足計算的要求，更應該符合構造的要求，概念設計更重要。

總而言之，隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，鋼結構廠房的設計要求也會越來越高，規(guī)模越來越大。因此在現(xiàn)有理論和經(jīng)驗的基礎上，還應繼續(xù)不斷完善和創(chuàng)新。

參考文獻

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