门式刚架轻型房屋钢结构设计常见问题解析

2013-08-15侯小娟

中国新技术新产品 2013年8期

侯小娟

（安徽省机械工业设计院，安徽合肥 230000）

1 设计中常见问题及解决措施

1.1 屋面活荷载的合理取值

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》3.2.2条规定:当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5KN/m2同时注明:对受荷水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN/m2。《钢结构规范》第3.2.1条也做出了类似的规定，区别在于其注明当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积大于60m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3KN/m2。因为在实际设计过程中往往跨度都比较大，柱距也比较大，所以受荷面积基本上都在60m2以上，所以很多设计人员在做设计时就直接按0.3KN/m2的活荷载来考虑。但是作为活载0.3KN/m2的取值有个前提就是当仅有一个可变荷载，也就是说这个取值仅适用于只有一个可变荷载的情况，当有两个及以上的可变荷载组合值系数参与组合时（如尚有积灰荷载），屋面活荷载仍应取0.5KN/m2，否则，将降低结构的安全度。

1.2 门式刚架轻型钢结构房屋的刚架立柱随意改为钢筋混凝土柱

我们在设计的过程中经常会遇到这样的业主，当初在做设计方案的时候为图节省造价，施工周期快，尽快投产，选择了门式轻型钢结构。当在实际施工的时候往往又通过各种渠道了解，认为混凝土柱子能够耐腐蚀，结构安全度高，随意让设计人员直接将刚架立柱改为钢筋混凝土柱子。

门式刚架轻型房屋钢结构是一种跨变结构，其斜梁和立柱可以是变截面的，也可以是等截面的，立柱与基础的连接可以铰接，也可以刚接，但斜梁与立柱必须刚接。钢筋混凝土排架结构则不同，它的屋面主构件可以是钢筋混凝土梁或钢梁，也可以是钢筋混凝土屋架或钢屋架，并且与钢筋混凝土柱顶铰接，钢筋混凝土柱脚则与基础刚接。

显然，这是完全不同的两种结构体系。因此，按门式刚架轻型钢结构设计的房屋，不应随意将刚架立柱改为钢筋混凝土柱。因为钢材和钢筋混凝土两种材料在材性、刚度和承载力方面有很大差别，不能简单代换，而且在柱顶，钢结构的斜梁与钢筋混凝土的柱是两种不同材性的构件，很难实现刚接。所以随意将门式刚架立柱改为钢筋混凝土柱会导致结构严重不安全。

因此，我们在设计的过程中应注意:不得随意将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱，也就是说不得随意改变结构的材料和体系；当必须将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱时，钢筋混凝土柱必须与基础刚接，钢斜梁与柱顶应按能承受水平推力的铰接连接进行构造设计，所构成的跨变排架结构应重新进行内力分析，除应重新验算斜梁的承载力外，还应按承载力和柱顶位移限值确定钢筋混凝土柱的截面尺寸和配筋，也应重新复核地基及基础的承载力。

1.3 屋面横向水平支撑与柱间支撑未布置在同一跨间内

设计人员在进行结构的支撑布置时应将同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，这样既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。然而在有的设计中因为建筑开门或者其他的原因，结构设计师并未将屋面横向水平支撑与柱间支撑未布置在同一跨间内。

在设计时我们应根据《门式刚架规程》CECS 102第4.5.l条第2款和第4.5.2条第1款的规定，将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间，在布置柱间支撑的开间，宜同时布置屋面横向水平支撑。当无法布置在同一跨间时，可布置在相邻跨间，有一定搭接区，但这种情况在温度区段内只能是个别的，否则应对整个支撑系统重新合理布置。

1.4 刚架斜梁下翼缘受压区和柱内侧翼缘受压区未设置隅撑

刚架梁、柱构件翼缘的局部稳定，在一般情况下系通过限制板件的宽厚比来保证；刚架梁、柱构件的整体稳定则由刚架的支撑系统提供的侧向支承点通过计算来保证。在刚架斜梁下翼缘受压区和柱内侧翼缘受压区，应按《门式刚架规程》第6.1.6条第3款和第7.2.14条的要求设置隅撑作为侧向支承点；刚架斜梁侧向整体稳定计算时，计算长度取侧向支承点间的距离；隅撑一端与斜梁受压翼缘相连，另一端与檩条相连；隅撑按轴心受压杆件设计。

1.5 高强螺栓的合理选用

用高强度钢制造的,或者需要施以较大预紧力的螺栓,皆可称为高强度螺栓。高强螺栓连接是通过螺栓杆内很大的拧紧预拉力把连接板的板件夹紧，足以产生很大的摩擦力，从而提高连接的整体性和刚度，当受剪力时，按照设计和受力要求的不同，可分为高强螺栓摩擦型连接和高强螺栓承压型连接两种，两者的本质区别是极限状态不同，虽然是同一种螺栓，但是在计算方法、要求、适用范围等方面都有很大的不同。在抗剪设计时，高强螺栓摩擦型连接是以外剪力达到板件接触面间由螺栓拧紧力所提供的可能最大摩擦力作为极限状态，也即是保证连接在整个使用期间内外剪力不超过最大摩擦力。板件不会发生相对滑移变形（螺杆和孔壁之间始终保持原有的空隙量），被连接板件按弹性整体受力。在抗剪设计时，高强螺栓承压型连接中允许外剪力超过最大摩擦力，这时被连接板件之间发生相对滑移变形，直到螺栓杆与孔壁接触，此后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间的摩擦力共同传力，最后以杆身剪切或孔壁承压破坏作为连接受剪的极限状态。总之，摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓实际上是同一种螺栓，只不过是设计是否考虑滑移。摩擦型高强螺栓绝对不能滑动，螺栓不承受剪力，一旦滑移，设计就认为达到破坏状态，在技术上比较成熟；承压型高强螺栓可以滑动，螺栓也承受剪力，最终破坏相当于普通螺栓破坏（螺栓剪坏或钢板压坏）。

1.6 地面以下的钢柱脚未要求用混凝土包裹

大多设计人员在设计的时候注重的是构件应力、位移、挠度等能不能满足规范的要求，对于细部的一些节点，比如柱脚的包裹往往都忽略了。但是在我们诸多的事例中表明钢结构地面以下的柱脚如果不用混凝土包裹的话，柱脚处由于积水的原因会产生钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患。所以我们在做设计的时候应按《钢结构规范》第8.9.3条（强制性条文）规定，对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚高出地面的高度不应小于100mm。