门式钢架结构设计探讨

彭煜

摘要:本文针对门式钢架设计中经常遇到的一些问题进行了简单的阐述，结合施工实际给出一些设计建议,供同行借鉴。

关键词:门式钢架;设计;抗剪键;基础;探讨

0 前言

钢结构具有以下特点:①重量轻，强度高。普通钢结构是钢筋混凝土结构建筑重量的1/2左右，而轻钢门式钢架自重仅为30kg/m2左右，较轻的自重降低了基础的造价。由于其强度高的特点适用于大跨度、大柱网，增大了使用面积；②抗震性能好；③主要钢构件工厂化，施工速度快，有助于建筑产业化发展；④可拆卸利用，对环境污染少，绿色环保。

1 门式钢架柱

1.1 轻钢门式钢架柱脚采用铰接还是刚接。门式钢架的柱脚形成多按铰接支撑设计，通常为平板支座，设一对或二对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。本人认为，门式钢架应首先应确定是否有吊车，如厂房工艺要求需要布置吊车，则应注意以下几点:(1)柱脚应设计成刚性柱脚;(2)柱应设计成等截面柱;(3)柱间支撑应由吊车纵向水平荷载控制设计，而不是简单的构造设计，当有不小于5t的桥式吊车时，宜采用型钢支撑。

另外，柱脚形式采用铰接还是刚接，除由吊车决定外，还要看建筑物的高度和风荷载的大小，如果建筑物的高度较高，而且风荷载较大，即使无吊车，如柱脚采用铰接，柱顶位移大，为控制柱顶位移必然加大柱截面，增加用钢量。最后，柱脚形式的选择还要考虑土质情况及基础造价。当采用刚接柱脚，由于基础要承受较大的偏心弯矩，基础的平面尺寸均较铰接柱脚基础要大，土质情况差时差别就更大。因此，选用何种柱脚行形式要根据建筑物的高度、风荷载的大小、有无吊车、吊车吨位及土质情况等因素综合确定。如门式钢架无吊车，则按楔形柱等常规设计，不再赘述。

1.2 柱间支撑的布置。柱间支撑与屋面支撑应布置在同一柱间，使钢架纵向形成稳定体系，便于钢架安装且增加纵向刚度。支撑应布置在第一柱间或第二柱间，当布置在第二柱间时，第一柱间相应布置刚性系杆，且刚性系杆与抗风柱沿纵向位置一致，使风荷载直接传递。在钢架转折处(单跨房屋边柱柱顶及屋脊，以及多跨房屋某些中间柱柱顶和屋脊)应沿房屋全长设置刚性系杆。当门架的跨度较大时，在布置支撑的柱间，应适当增加刚性系杆的数量，使支撑的夹角在45°左右。当受建筑功能限制无法布置柱间支撑时，应布置纵向钢架。

2 屋面、(围护)墙面的构造

轻钢门式钢架厂房中屋面及墙面构造措施是增大钢架刚度，防止钢架平面外失稳的关键措施。檩条、墙梁一般由冷弯薄壁构件制成，当柱距小于6m时，设一道拉条，大于6m时，设两道拉条。在这里应特别提到斜拉条，在校图过程中，常常可以看到许多钢结构厂家或设计者设斜拉条而不设撑杆的情况。原因是结构概念不是很清楚，因为通过结构力学知识，在斜拉条间设置撑杆，方可形成稳定体系。在屋面、墙面设计中还应注意隅撑布置，隅撑不是可有可无，它是为防止受压翼缘屈曲而设置。研究表明门式钢架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的。斜梁下翼缘与钢架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位，该处设隅撑十分重要。另外，在斜梁下翼缘受压区设置隅撑，其间距不得大于相应受压翼缘宽度的倍。按一般的门式钢架，檩距1500mm左右时，隔一个檩条设一道隅撑可满足上述条件。那么设计时是否要考虑有围护墙时钢柱的平面外约束呢?当周围采用砖墙围护时，一般在钢柱外皮设构造柱，在窗顶位置设通长圈梁，圈梁与构造柱现浇为一体。此种情况，能否将圈梁视为钢柱平面外支点?有人认为，圈梁和钢柱通过可靠连接，可以作为钢柱的平面外支点，甚至可以考虑围护墙对钢柱的平面外约束作用。假定以上观点正确，那么，混凝土圈梁和砖墙对钢柱的约束作用点在钢柱外皮，而钢柱主要是内皮受压，效果肯定不好，同时由于砖墙混凝土构件与钢构件是完全不同的材料，在不利荷载作用下，可能引起砖墙、混凝土较早开裂，使钢柱失去侧面约束作用，从而造成钢柱平面外失稳。一般应采用设置系杆的方法来减少柱平面外计算长度。但需注意系杆不能互为支撑，系杆必须连到合适的支撑体系(如柱间支撑)或结构的某个独立稳定的部分。

3 抗剪键的设置要求与计算

柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，水平剪力可由柱底板与混凝土间的摩擦力或设置抗剪键承受。这就是我们计算门架时，往往出现的警告提示:“柱脚需要设抗剪!”。其主要原因是门架结构一般自重较轻，而在风荷载较大或抗震设防烈度较高地区，其柱底水平剪力较大，往往需要在柱底板下加抗剪键，以弥补柱底板与混凝土间摩擦力的不足。在条文说明中要求抗剪键采用在钢架平面方向截面刚度较大的工字钢等垂直焊接在柱底板的底面，其截面和连接焊缝的抗剪能力应进行计算。若抗剪键较长，须在基础表面做坑以便安装时将其插入，然后进行二次灌浆。

抗剪键起作用是建立在柱底板下的空隙灌浆密实的基础上，密实是二次灌浆与混凝土基础及柱底板共同工作的前提。因此抗剪键的作用除与本身截面和焊缝高度与长度有关外，还取决于灌浆的密实度，抗剪键以长度方向平行于柱底板为宜。柱底板下的灌浆空隙以满足抗剪键不与基础表面接触，留有一定空隙，使柱底标高有调整余量为准，确保抗剪键起作用，保证工程安全。根据文献，抗剪键计算处如下:(1)抗剪键设置:当V≥N×0.4时，需要设置抗剪键。(2)抗剪键正面角焊缝总长度为:L≥(V－0.4N)/(0.7h×f×β)+40mm 式中:V—最不利组合柱最大剪力；N—最不利组合时柱最大轴力；L—抗剪键正面角焊缝总长度；h—焊脚尺寸；f—角焊缝强度设计值；β—正面角焊缝强度设计值增大系数，可取β=1.22。

4 基础设计

轻钢结构基础设计中，由于结构自重轻，基础竖向荷载小，水平荷载往往成为基础大小的控制因素。因此基础偏心过大，对基础设计造成一定困难。由于偏心荷载作用下基础底面反力的不均匀性，可能使基础发生倾斜，甚至会影响厂房的正常使用，特别是有吊车的工业厂房。根据文献对基底土压力分布作以下限制，供设计时参考。

(1)对于f＜180KPa、吊车起重量大于750kN的单层厂房柱基，或对于f＜105KPa、吊车起重量大于150KN露天跨柱基，要求Pmin/Pmax≥0.25，其中f为地基承载力特征值。

(2)对于承受一般吊车承载的柱基，要求P≥0，即不出现基础底面与地基脱离。要满足此条件，偏心距e最大为b/6。

(3)对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础底面与地基不完全接触，但接触部分长度与基础长度之比不小于0.75；同时，还应验算基础底板受拉一边在底板自重及上部的重力荷载作用下的抗弯强度。为满足以上设计原则，解决的方法有:增加基础压重、增加深埋、采用偏心基础、采用桩基等，在实际设计中应经过充分比较分析后确定选用哪种方法。

5 柱脚锚栓的安装定位

这是设计人员往往忽视的问题，而在实际工程中锚栓定位不准确造成钢架或框架安装困难的工程案例比比皆是，本人也遇到过这种情况，后来不得不加固处理。分析原因，主要是锚栓之间无连接，整体刚度差，在浇筑混凝土的过程中锚栓难免移位。针对上述原因，采取浇筑混凝土前预埋柱脚锚栓固定支架处理，具体做法见图1。固定支架与锚栓形成一个小的格构柱，这样锚栓的定位就方便准确了。

图1柱脚锚栓固定支架

6 抗风柱与钢架的连接

目前门式钢架的抗风柱设计存在两种错误的做法:一种是将抗风柱与钢架做成一样，抗风柱与钢架梁或铰接或刚接，抗风柱既参与抗风又参与竖向荷载作用及横向水平作用。而设计人员往往又不做这样钢架的纵向抗风验算，这样做是漏算荷载的，是工程设计的一大忌。另一种做法是抗风柱与钢架在一条轴线上，但不考虑抗风柱受竖向荷载作用，抗风柱与钢架梁之间用一块钢板通过焊缝相连。这种做法仍然将一部分竖向荷载传给了抗风柱，而且钢板的侧向刚度很小，在竖向荷载的作用下发生屈曲后就很难保证有效地传递风荷载了。以上两种做法都存在弊端。在这里笔者推荐以下做法:采用厂房标准轴网做为抗风柱轴线，第一榀钢架轴线与抗风柱错开500～600mm，抗风柱翼缘通过连接板与钢架梁腹板加劲肋相连，且连接板及加筋肋上开竖向长圆孔，连接螺栓采用普通螺栓，做法见图2。

图2抗风柱与钢架梁连接大样

7 结束语

门式钢架轻型房屋钢结构在我国应用已比较广泛，技术日渐成熟，但需要完善的问题仍较多，只有充分理解该类结构的设计概念才能使结构设计既经济合理，又安全可靠，在市场竞争中立于不败之地。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。