门式刚架结构设计探讨

2012-04-10郭春阳

河南建材 2012年2期

郭春阳王越吴铮

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

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30 kg/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 门式刚架柱

1）轻钢门式刚架柱脚采用铰接还是刚接。门式刚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5 t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。本人认为，门式刚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。

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，使刚架纵向形成稳定体系，便于刚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。在刚架转折处 (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，应布置纵向刚架。

2 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刚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。

3 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。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。

4 抗风柱与刚架的连接

目前门式刚架的抗风柱设计存在两种错误的做法:一种是将抗风柱与刚架做成一样，抗风柱与刚架梁或铰接或刚接，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刚架的纵向抗风验算,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刚架在一条轴线上,但不考虑抗风柱受竖向荷载作用，抗风柱与刚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，第一榀刚架轴线与抗风柱错开500～600mm,抗风柱翼缘通过连接板与刚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。