門式剛架輕型房屋鋼結構設計中應注意的幾個問題

石  維l  劉  燕2

(1．新疆大學建筑工程學院830008烏魯木齊；

2．西安建筑科技大學710055  西安)

1.綜述

    門式剛架輕型房屋鋼結構是近年來我國發展最快的一種新型鋼結構，它因自重小、施工周期短、造價低等優點而為廣大建筑師、結構工程師所接受。現已被廣泛應用于單層工業廠房，取得了較明顯的社會效益和經濟效益。剛架的用鋼量與剛架的跨度、柱高以及屋面荷載大小有很大關系，特別是跨度加大，用鋼量顯著增加，所以，輕型門式剛架的適宜跨度在30m以下，屋面應與各種彩色壓型鋼鈑或壓型鋁鈑配套使用，墻體也應采用輕質圍護材料，使結構具有美觀輕巧的特點。但由于目前國內系統地論述門式剛架輕鋼結構設計的書籍比較缺乏，設計人員大都根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(cEcsl02：2002)和《鋼結構設計規范》

(GB50017—2003)進行設計。有些設計人員因初次接觸此類結構，不熟悉設計規程、規范，對設計規程、規范理解不夠全面，以致在設計中出現技術經濟不合理現象，甚至造成安全隱患。

2.屋面支撐設計

    門式剛架輕型房屋鋼結構設置屋面支撐系統的目的是為了提高結構的整體剛度，發揮結構的空間作用，保證結構的幾何穩定性，為剛架提供平面外可靠的支撐以減小剛架在平面外的計算長度，傳遞房屋縱向水平荷載以及保證施工安裝時剛架的穩定和安全。因此，合理地設計屋面支撐對門式剛架輕鋼結構房屋的質量和安全意義重大，是整個結構設計中一個重要的組成部分。門式剛架輕鋼結構房屋應在橫梁上翼緣平面設置橫向水平支撐，以保證剛架橫梁的側向穩定。當山墻抗風柱上端支承于橫梁上翼緣或下翼緣某些特定位置上時，橫向水平支撐起著傳遞山墻縱向風荷載的作用。和普通鋼結構廠房一樣，屋面橫向水平支撐可以設在溫度區間端部第一個開間或第二個開間，當設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置宜設置剛性系桿。有的設計人員在設計屋面橫向水平支撐時，為了節約，不單獨設置直腹桿，由屋面檁條兼作直腹桿。當山墻風荷載傳來時，兼作直腹桿的檁條除了承受屋面活載(雪載)之外，同時還承受山墻風載引起的軸向壓力，實際受力狀態是一壓彎構件。而一般的檁條是雙向受彎構件，兩者的強度條件是不同的。因此，設計中用檁條兼作直腹桿時，應經過驗算，當檁條的承載能力以及長細比均滿足要求方能兼作橫向支撐中的直腹桿。否則，應加大檁條的截面尺寸，這一點應引起設計人員的注意。所以，實際工程中，也可采用檁條與直腹桿分開設置的方法，這樣檁條只承受屋面荷載，風荷載引起的軸向壓力由單獨設置的直腹桿承受，既統一了檁條規格，又簡化了計算。

    屋面支撐設計中應注意的另一個問題是橫向水平支撐直腹桿由檁條兼作時，除了承載能力和長細比滿足要求外，該檁條的位置必須布置在橫向水平支撐交叉斜桿的相交處。這是因為兼作直腹桿的檁條是橫向水平支撐的組成部分，只有與支撐中的交叉斜桿一起構成三角形幾何不變體后，才能起到剛架橫梁側向支點的作用。有些工程在屋面橫向水平支撐設計時，斜桿按跨度等分設置，直腹桿用檁條兼作，但因檁條間距固定而未能將兼作直腹桿的檁條布置到支撐斜桿相交點上，不能與支撐斜桿組成幾何不變體，因而起不到剛架橫梁側向支點的作用，設計中應避免出現這種情況。

3.山墻墻架設計

    門式剛架輕鋼結構房屋山墻可采用由斜梁、抗風柱和墻梁組成的山墻墻架或門式剛架。當采用門式剛架時，連接構造與一般鋼結構廠房相同。抗風柱頂通過彈簧鋼板與剛架橫梁上翼緣相連，風荷載通過屋面橫向支撐傳遞給屋面系統。當采用斜梁、抗風柱和墻梁組成的山墻墻架時，由于門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程未給出標準連接做法，具體構造由設計人員自行設計。有的工程在山墻墻架設計中將抗風柱與斜梁下翼緣相連，但未采取將風荷載傳遞給屋面橫向水平支撐或系桿(當屋面橫向支撐設于端部第二間時)的措施。當風荷載傳來時，墻架斜梁除了承受抗風柱頂傳來的側向力以外，還承受側向力引起的扭矩。當房屋的跨度及高度不大時，側向力個數不多、數值不大，產生的扭矩相應較小。但房屋的跨度及高度較大時，側向力的個數多、數值大，產生的扭矩對剛架斜梁的影響不能忽略。此時，墻架斜梁不單受彎，而且受扭。因此，當抗風柱與墻架斜梁下翼緣相連時，應在連接處設撐桿或者隅撐，隅撐一端與斜梁下翼緣相連，另一端與橫向水平支撐中的直腹桿或系桿相連。將山墻風荷載通過屋面橫向水平支撐傳遞給屋面系統，從而避免山墻墻架斜梁受扭。

    此外，山墻是采用門式剛架還是采用山墻墻架，應根據工程的實際情況而定。山墻墻架因跨度小，斜梁及抗風柱的截面尺寸較小，比較經濟，一般的輕鋼結構房屋大多采用這種形式。但山墻采用墻架時，由于端部第二榀門式剛架橫梁跨度及荷載均大于山墻墻架斜梁的跨度及荷載，其撓度也大于山墻墻架斜梁的撓度。隨著跨度的增加，門式剛架橫梁的撓度遠大于山墻墻架斜梁的撓度。兩者因變形相差較大，可能引起屋面開裂、滲漏，使雨水進入保溫層，致使屋面板荷載增加而造成安全隱患。因此，從變形的角度看，當房屋跨度較大時，山墻采用門式剛架較為合理。

4．剛架計算

    門式剛架屬平面受力體系，其內力一般取單榀剛架按平面計算。剛架梁、柱的內力可按門式剛架計算公式進行計算，也可用專用計算軟件電算。根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定：結構構件的受拉強度按凈截面計算，受壓強度按有效截面計算，穩定性按有效截面計算，變形和各種穩定系數均按毛截面計算。所以，采用程序進行電算時，程序會提示設計人輸入剛架凈截面與毛截面的比值，并提供一個默認值。應注意的是這個比值并非不可改動的固定值，而是應按剛架與支撐的連接方式根據實際情況確定。如不修改比值，程序自動按默認值計算。當剛架的支撐與剛架都是通過焊于其上的網板相連接時，剛架上沒有螺孔。剛架的毛截面即為凈截面。輸入的凈截面與毛截面的比值應改為1，如不作更改，程序按默認值計算，實際上相當于降低了剛架所用鋼材的設計強度，計算出的應力就偏高。反之，剛架開孔較多，凈截面與毛截面的比值小于默認值，如計算中不對默認值加以修改，仍按默認值計算，計算出的應力就偏低。

5.基礎設計

    鋼結構廠房的柱腳形式可分為鉸接柱腳和剛接柱腳兩種。對于鉸接柱腳，基礎僅受軸心荷載作用，設計相對比較簡單。對門式剛架輕型鋼結構來說，以下因素往往決定了基礎的受力特點：

    (1)廠房多帶吊車，有時吊車噸位較大，橫向水平位移難以控制，要求柱腳剛接；縱向水平荷載由柱間支撐承受，故柱腳多為鉸接；

    (2)由于鋼結構自振周期較長，而結構自重較輕，水平地震作用相對較小。水平控制荷載多為風荷載加吊車水平制動荷載；

    (3)結構重量輕，風荷載和吊車水平制動荷載相對較大，造成基礎偏心距／較大，一般最大偏心距可達1.5m～2.0m左右；

    (4)門式剛架輕型鋼結構廠房單層或單層帶夾層，基礎多采用單獨基礎，而且埋深較淺；

    由于以上受力特點，對于吊車的工業廠房，工程中常采用剛性柱腳，該柱腳形式可以提高廠房的整體剛度，從而減少側移。但這樣一來，基礎一般作用有較大的彎矩。這個問題在門式剛架輕鋼結構體系中尤為明顯。由于自重輕，水平荷載與豎向荷載比值較大，在風荷載及吊車荷載的共同作用下，廠房邊列柱柱腳荷載偏心距較大。根據大量工程表明，偏心距一般在1.0m左右，有時甚至更大。根據以上分析，按常規的單獨基礎設計，基礎的寬度將會很大，這在實際工程中是難以接受的。鑒于以上這種情況可以采用以下方法加以解決：

    (1)增加基礎壓重：

    廠房設底部加重墻，一般為粘土磚，并使其重量通過地基梁傳到基礎并增加基礎埋深。增加基礎埋深對基礎設計來說，變化有兩個，其一使考慮深度修正后的地基承載力設計值增大，但這對受偏心距控制的基礎來說無關緊要；其二是基礎底面以上壓重增大，這對降低偏心距來說是有利的。實際工程中要通過增加基礎埋深來降低偏心距可以有兩種做法，一是保持底標高不變，即通過增加混凝土基礎的高度來實現。顯然用這種辦法來增加G并非經濟之舉，并且增加同時會增大由柱腳水平剪力V引起的附加彎矩Vxh。另一種做法是降低柱底標高而使h不變，僅該方法使剛架柱長度加大，就會使柱腳的反力增加特別是彎矩值，同時使剛架用鋼量和工程量增加。

    所以，通過增加基礎埋深來降低偏心距e的做法，在e的一定的范圍內是有效的，而超出一定范圍后將會起到負面效應，在設計中要綜合考慮，全面衡量。

    (2)采用偏心基礎：

    此方法只適用于偏心距e較小的情況下，其原理就是使基礎本身受力偏心，相當于針對較大的彎矩，增加一個反向的彎矩M′=Ne，使基礎滿足設計要求。此種基礎形式在工程中較少采用，若吊車噸位不太大，一般可以考慮采用柱下偏心基礎形式。但此時為保證基礎不致過分傾斜，基礎與基底土接觸不脫離。

    (3)采用樁基礎：

    對于過大偏心距的基礎，當采用以上方法不能解決基礎過大側移問題時，可以考慮采用樁基礎。常用的樁種類較多，如灌注樁或預制鋼筋混凝土樁。但采用樁基不僅增加了設計施工的復雜性，而且造價往往較高，因而是門式剛架輕型鋼結構廠房基礎設計中最后不得已采用的基礎形式。

依據標準：

[1]工程建設推薦性標準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程))CECSl02：2002

[2]國家標準《鋼結構設計規范》GB50017—2003

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)