门式刚架轻型房屋钢结构设计浅谈与用钢量分析

2010-04-12黄宇峰

科技传播 2010年13期

黄宇峰

机械工业第四设计研究院，河南洛阳 471039

0 引言

门式刚架轻钢结构是指具有轻型屋盖和轻型外墙的单层实腹门式刚架结构，这里的轻型主要是指围护是用轻质材料（也可以有条件采用砌体外墙）。门式刚架轻型房屋钢结构是近十年来在我国迅速发展起来的一种新型结构体系，被广泛应用于工业厂房、仓库等众多的工业和民用建筑中。此种结构形式具有许多优点，如：大跨度、大空间能满足业主在空间上的要求；自重轻，地震作用小，抗震性能好；施工速度快、周期短能满足业主工程建设时间紧的要求。总之门式刚架轻型房屋钢结构这一新型结构形式有许多优点，近些年来在我国取得了广泛的应用。针对这一情况2002年国家专门颁布了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）来指导门式刚架轻型房屋钢结构的设计与应用，为其迅猛发展创造了有利条件。

1 门式刚架轻型房屋钢结构设计中应注意的问题

1.1 适用范围

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》1.0.2规定其仅适用于单跨或多跨实腹式门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或起重量不大于20t的A1～A5控制级别的桥式吊车或3t的悬挂式起重机的单层房屋钢结构。此条规定从结构形式、屋盖、墙面、吊车吨位、层数、材料等六方面规定了技术规程的适用范围。注意，砌体外墙不属于轻型外墙，但在抗震设防烈度低于9度的地区内也可以采用。

1.2 钢材材质的选取

门式刚架最常用的两种钢材为Q235B和Q345B两种牌号的钢材。这两种钢材物理性能指标一致，市场价格相差不大，其力学性能却差别很大，最显著的差别在于其屈服点的高低。通常有两种情形下可选用Q235B钢。一是结构跨度、荷载并不大，构件的最大应力小于Q235B的容许应力，一是结构对变形要求较高（如梁有吊顶等），或者构件的挠度较大而超限，此时对构件尺寸起控制因素的并不是构件的强度，而是结构的挠度，此时采用Q235钢可能会取得更好的经济效益。

1.3 荷载取值

门式刚架设计时，通常刚架的受荷水平投影面积≥60m2，故屋面均布活荷载标准值可取为0.3Kn/m2。但应注意在计算屋面檩条的强度、稳定时，屋面均布活荷载标准值依然要取为0.5Kn/m2。且屋面均布活荷载与雪荷载不应同时考虑，二者取大值即可。对于风荷载由于门式刚架自重轻，整体性相对较差，对风荷载作用较敏感，且各构件对风荷载作用的敏感性也不同。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》按不同构件分为刚架、檩条等5类，分别给出了不同的风荷载体型系数。这些体型系数与《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）给出的体型系数有较大差别，这在设计中应予以充分重视。由于门式刚架多为坡屋面，易积雪，刚架转角处檩条应加密布置，以应对屋面积雪不均匀分布情况。

1.4 主刚架计算

主刚架通常由边柱、中柱和斜梁组成。边柱和斜梁一般根据弯矩包络图的形状设计成变截面以达到节约材料的目的。中柱以承受轴力为主，一般采用等截面。变截面刚架分析一般采用弹性分析方法。刚架斜梁的平面外计算长度应取侧向支撑点间的距离。当斜梁的上翼缘受压时，上翼缘上连接的檩条可视为其侧向支撑点。当斜梁下翼缘受压时，必须在受压下翼缘侧面布置隅撑，作为斜梁的平面外侧向支撑，隅撑另一端连接在檩条上。通常在考虑钢柱平面外计算长度时，柱脚均按铰接考虑。这是因为即使是刚接柱脚，其平面内的抗弯刚度要远高于其平面外的抗弯刚度，为安全计一般均认为平面外属于铰接。刚架柱顶一般设有系杆，纵向设有柱间支撑，因此，可将柱顶结点视为无侧移的铰接结点。

1.5 支撑体系

门式刚架结构中支撑体系对保证结构的整体安全至关重要。在实际工程很少有因为强度不够造成结构坍塌的，但是因为支撑体系设置不够或不合理而造成的结构失稳破坏倒是屡见不鲜。在设置支撑时，应注意在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。对设置有5t及以上的吊车时，柱间支撑不能采用圆钢拉条，而必须采用型钢支撑。屋盖横向支撑应设置在温度区间端部的第一个或第二个开间，当设置在第二个区间时，在第一开间内相应位置设置刚性系杆，以保证荷载能传至屋盖的横向支撑。

2 用钢量分析

通过总结最近几年笔者所设计的几个典型的门式刚架，计算其用钢量，分析门式刚架结构用钢量的影响因素，总结规律，详见表1。

工程地点恒、活荷载(kn·m2)风荷载(kn·m2)吊车情况抗震设防烈度跨度(m)柱距(m)单榀主刚架重量（kg）主刚架用钢量(kg/m2)荷载/用钢量墙檩用钢量(kg/m2)屋檩用钢量(kg/m2)山东聊城0.30.35 0.4510 t中级 7° 2X18+21 7.55607 13.1 4.965.074.7

表1 门式刚架用钢量分析表

不同荷载情况下，门式刚架会有不同的用钢量。为了衡量不同荷载情况下的门式刚架的用钢量，建议采用荷载/用钢量这一指标来比较。所谓荷载/用钢量是指竖向均布部恒、活荷载标准值相加后与主刚架每平米用钢量的比值。其含义是每平米用钢量可承受的竖向荷载，这是衡量设计是否经济合理的重要指标。

2.1 平面布置对荷载/用钢量的影响

门式刚架的平面布置合理与否对门式刚架结构用钢量起决定性作用。平面布置对用钢量的影响体现柱距、跨度、柱脚形式等方面。当柱距为7～9m时，刚架的用钢量基本稳定，荷载/用钢量大致在5～6之间。当柱距小于7m时，随着柱距的增加，用钢量在减小；当柱距超过9m时，每平米用钢量略有减小，但此时围护结构、吊车梁、支撑等的用钢量明显增加，两者相抵后，总用钢量反而是增加的。故门式刚架存在一个最优柱距，按笔者设计体验，此最优柱距在7～9m，随竖向荷载大小而变，用钢量以其成反比关系。门式刚架的合理跨度在18～36m，跨度过小钢材性能发挥不出来，跨度太大导致截面增大，用钢量不经济。若屋面梁下有悬挂吊车或者屋面荷载较大，则用钢量对跨度的敏感性会大大增强。中柱柱脚、柱顶多采用铰接，这样使中柱只受轴力也能降低用钢量。

2.2 风荷载、吊车荷载对荷载/用钢量的影响

门式刚架轻型房屋钢结构由于自重轻、竖向荷载小，所以受风荷载影响明显，刚架截面尺寸大小在绝大多数情况取决于风荷载。从表一可以看出，当风荷载为0.45Kn/m2时，其荷载/用钢量约为5；当风荷载为0.35Kn/m2时，其荷载/用钢量为5.5～6。随着风荷载的减小，荷载/用钢量数值明显上升。吊车荷载对荷载/用钢量的影响在吊车荷载较小时并不明显，只有当吊车荷载超过一定数值后，才会明显影响刚架的荷载/用钢量，吊车荷载的影响多体现在吊车梁的用钢量上。门式刚架由于自重轻、地震作用比较小，因而在绝大多数情况门式刚架的抗震设防烈度不会成为用钢量的决定性因素，除非设置有吨位较大的吊车或者屋面有较大的悬挂荷载。