谈门式刚架的特点及应用

2012-08-15王红梅

山西建筑 2012年18期

关键词：门式刚架结构刚架

王红梅

(西山煤电集团设计院有限公司，山西太原 030053)

0 引言

现今，随着科技的进步及经济的快速发展，越来越多的新型材料被应用到工程建设当中，轻钢结构也被大量运用于工程实践当中。其中门式刚架作为轻钢结构的典型代表，因其节省材料、施工周期短等特点，而被广泛应用于各类工程建设当中。

现阶段，门式刚架在设计、制作、安装等方面已基本形成一体化。经过多年来的工程实践，证明门式刚架结构在工业厂房及对空间要求较大的建筑中的应用有着重要的意义及价值。

1 门式刚架的特点

1.1 施工周期短

门式刚架的特点主要是轻型、快速、高效，同时采用节能环保新型建材，实现工厂化加工制作、现场施工组装。因门式刚架的梁、柱等主要构件均可在工厂完成加工制作，再到现场按照工程设计要求进行拼装，施工方便快捷从而有效缩短了建设周期。相比较而言，门式刚架结构的施工周期，比传统的钢筋混凝土排架结构缩短了大约60%。一般采用门式刚架作为结构形式的工业厂房，其所需建造时间仅为50 d～90 d，而钢筋混凝土排架结构则需要10个月～12个月。

1.2 适用于大空间要求的规则建筑物

钢材具有强度高、韧性及塑性好的特点，在同等受力情况下，门式刚架结构自重较轻，比较适用于建造一些对跨度及高度要求较大的规则建筑物。同时因门式刚架结构自重较轻的特点，在煤矿建造储煤所用筒仓结构时，其仓上结构现多用门式刚架结构代替砖混结构：本人在2010年所设计的山西省临县华烨煤业有限公司的原煤仓时，仓顶就是采用的门式刚架及钢框架相结合的结构形式。2010年，本人为山西晋兴能源有限公司斜沟矿设计了一座双跨48 m、檐口高度7 m的工业厂房。因为厂房所处场地为输煤通道所用皮带走廊下部，在设计时不仅需要充分利用空间满足使用要求，还要使每榀刚架及其连接件与已有皮带走廊支架进行避让。在这栋仓房的设计中，不仅体现了轻型门式刚架能满足大空间厂房的要求，同时也体现了轻型门式刚架灵活多变的设计特点。同时由于此厂房在使用方面的限制，划分的防火分区面积已超出了防火规范中的要求。因此在传统防火设计的基础上，在仓房的上部加设了自动喷淋系统，这在我院所设计同类型仓房中也是第一次使用自动喷淋系统。

1.3 防火处理

钢材虽然属于不燃烧材料，但耐火性能差。钢材在高温下强度降低很快，塑性增大，并且因为钢材的导热系数大，是造成钢结构在火灾条件下极易在短时间内丧失承载能力的主要原因。实验证明，从常温到150℃时，钢材性能改变不大;超过150℃后，钢材的性能会发生较大的变化;达到600℃时，钢材的承载力将完全丧失。美国世贸大厦因遭遇袭击，燃烧产生的高温致使两幢钢结构大楼倒塌便是最典型的案例。

钢结构的防火措施有很多种，目前采用较多的是在构件表面直接喷涂防火涂料。因防火涂料的隔热性能好，喷涂时不需要增加其他辅助设施，结构的几何外形一般不会影响喷涂施工，且防火涂料还有一定的美观装饰的作用，因此被广泛应用于工程实践当中。并且在喷涂防火涂料前，应对构件表面进行彻底除锈，除锈等级应满足规范及设计要求。经除锈的钢材表面在检查合格后应在8 h(湿度大于60%)内进行1遍～2遍底漆涂装，底漆成分性能不应与防火涂料产生化学反应。常用的防火涂料有薄涂型、厚涂型及超薄型防火涂料，采取防火措施后，门式刚架的耐火极限一般提高到1.5 h～2.5 h，满足规范及使用要求。

1.4 耐久性

未采取防锈措施的钢材长期暴露在自然环境中容易锈蚀，特别是处于沿海地区或湿热条件下的钢结构。若未为钢材进行防锈处理，锈蚀会导致构件截面缩小，结构承载能力下降，进而影响结构的安全。所以必须解决构件的防腐问题，主要采用的方法有：

1)金属保护层：在门式刚架的围护结构上还是采用传统的镀锌技术，在彩板上有镀铝锌的，它的耐腐蚀性可大大提高。檩条及墙梁一般采用热浸镀锌，镀锌标准为A级，镀锌量不小于275 g/m2(均为双面)。

2)涂层法：即在构件表面喷涂油漆或其他防腐涂料，主要用于门式刚架的梁、柱等主要构件，底漆及面漆必须配套使用。施工时，注意涂料、涂装遍数、涂层厚度均应符合设计及规范要求。因钢构件的除锈质量对涂层的使用寿命影响率高达49.5%，所以在防腐涂装前必须对钢材做防锈处理，并应达到设计所要求的防锈等级。现阶段主要采用喷砂除锈，除锈等级应达到Sa2或Sa2.5。

3)复合保护层：门式刚架围护用彩钢涂层钢板是典型的复合保护层。

2 门式刚架的设计

2.1 刚架形式

门式刚架是由梁及柱组成的单榀刚架作为主要承重构件，加设水平支撑、柱间支撑及系杆，同时配以轻型屋配盖和墙体围护结构所组成的结构体系。门式刚架的形式主要有单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的刚架等，同时为了满足采光及通风需要可在屋面设置通风口、采光带或轻型钢天窗架。2012年年初，本人为西山煤电集团机电总厂设计了一座双跨双坡、每跨均为24 m的支架修理车间，同时为满足采光要求在屋面加设聚碳酸酯采光带。车间采用双跨双坡的形式是为了方便屋面排水，若改用双跨四坡的形式，在两跨的交接处需设置内檐沟用于排水。但由于车间长度为84 m，内檐沟找坡长度过大不利于雨水排出，同时在使用中易出现屋面漏水等情况，所以在同类型厂房设计中，多采用双跨双坡或双跨四坡的形式。门式刚规要求采用带吊车的门式刚架吊车吨位应不大于20 t，而该车间内每跨均设有50 t/10 t和20 t/5 t的桥式吊车，所以在设计时改用了钢排架结构。

2.2 荷载的选取

门式刚架设计的主要依据为CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程、GB 50017-2003钢结构设计规范、GB 50011-2010建筑抗震设计规范。荷载取值应严格按规范及实际情况确定，荷载大小不能随意降低。对于不上人屋面，按《建筑结构荷载规范》规定活荷载取值为0.5 kN/m2，但《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中注明：对受荷水平投影面积大于60 m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取0.3 kN/m2。现在有些门式刚架在设计时，计算选取的荷载不符合规范要求及实际使用情况，造成梁、柱等承重构件截面过小，在实际使用过程中极易出现安全问题。例如2009年我国北方大部分地区出现大到暴雪，许多轻型钢结构包括门式刚架在内的工业厂房因屋面雪荷载超载而发生垮塌。对设计人员而言，应充分考虑各种可能对结构造成不利影响的因素，适当加大构件尺寸，在满足安全性的基础上实现经济性。一般在利用PKPM中的STS软件设计计算轻型门式刚架时，将主要构件即梁、柱的应力比控制在0.8～0.9之间。

2.3 刚架的尺寸确定

门式刚架的柱距、跨度及檐口高度主要由建筑的使用要求来确定。门式刚规中注明：刚架的柱距宜为6 m～9 m;跨度宜为9 m～36 m;檐口的平均高度宜为4.5 m～9 m，设有吊车时不宜大于12 m。设计中通过计算发现，在刚架跨度、檐口高度不变的情况下，柱距增大会使单榀刚架的用钢量降低，但其他构件如吊车梁、墙梁、水平支撑及柱间支撑的用钢量会相应提高。因此设计时应根据实际情况，确定经济合理的刚架尺寸。

3 综合经济效益

3.1 投资成本低

门式刚架结构本身自重较轻，在地基较好的情况下多采用钢筋混凝土独立基础，可节约造价。对于非保温性及保温性的工业与民用建筑，因压型钢板和夹芯板施工方便快捷、外形美观，而作为屋面和墙面的围护结构被广泛应用。由于门式刚架在制作及安装时方便快捷，因而有效缩短了工期，使工程项目尽早投入使用从而获得经济效益。

3.2 运营成本低

一项工程的总造价应以该工程的全寿命周期为控制对象。对工程各阶段可能发生的全部费用进行整体分析后，采取相应的技术方法，可实现工程全寿命周期成本最优。而钢材作为一种高强度高效能的绿色环保材料，不仅施工及维护都比较简便，在建筑报废后所有钢材再回收后还能够继续循环利用。门式刚架采用压型钢板或夹芯板作为围护结构施工快速、耐久性好，维修方便，因而在使用阶段大大减少了维护开支，节约了成本，整体经济效益好。