冷弯薄壁型钢门式刚架应用现状

2013-10-31徐长征罗永峰

中国建筑金属结构 2013年7期

徐长征罗永峰

冷弯薄壁型钢门式刚架轻型钢结构是一种采用冷弯薄壁型钢作为主要承载的梁柱构件，采用门式刚架结构形式的轻型钢结构体系，这样的结构形式在美国及澳洲等国家已得到了广泛的应用；主要运用在单跨跨度不超过36m的工业类房屋如仓库、辅房，以及农业类建筑如鸡舍、马棚等，具有安全、快速、经济、便捷等优势。

门式刚架轻型钢结构在我国已广泛运用在工业厂房领域，具有跨度大，经济性强，安装快速便捷等优点，一般采用变截面焊接H型钢作为刚架梁柱构件。但考虑到目前焊接H型钢一般最薄采用5mm板件、加工需要构件详图、加工工艺工序多等因素，对于小跨度的单层工业房屋，特别是跨度小于15m、不带行车的厂房建筑，其经济性难以保证，故而采用冷弯薄壁型钢构件作为承重梁柱构件不失为更经济、更快捷的选择。澳洲Ranbuild公司在冷弯薄壁型钢门式刚架结构运用上，有着成熟的产品和多年的经验，他们采用标准化设计、标准化制造的模式把冷弯薄壁型钢广泛用于小型工业仓储房屋以及一些农业鸡舍类房屋，其最大跨度可以达到36m。

1 冷弯薄壁型钢门式刚架结构

1.1刚架形式

典型的冷弯薄壁型钢门式刚结结构的形式如图1所示。冷弯薄壁型钢门式刚架一般用于没有行车的单层工业房屋，局部可以有夹层。根据澳洲Ranbuild公司的技术资料[5][6]显示，其单跨最大跨度可以达到36m，当跨度大于13.8m时应采用图1中的类型c，即屋脊处应设置有水平拉杆；最大柱顶高度可以达到7.3m；最大柱距可达到9m；屋面坡度范围为10~27度，最通常采用的屋面坡度为10度。

图1 典型冷弯薄壁型钢门式刚架

用于刚架梁、柱构件一般为冷弯薄壁C型钢，截面高度为C200~C350，材料厚度1.5mm~3.0mm，材料强度为340MPa和450MPa，材料通常为连续热浸镀锌表面处理，镀锌量通常为Z275，截面型式可为单根构件截面或两根构件背靠背截面，如图2所示，采用组合截面时，构件间连接采用高强螺栓。

图2 典型梁柱截面型式

特别要注意的是，为了减小冷弯薄壁型钢门式刚架的屋面梁饶度偏大，影响正常使用，澳洲Ranbuild公司采取了一些预起拱的措施，当跨度超过12m时考虑预起拱，柱顶向内偏移，屋脊向上偏移，具体详表1所示。

这样采用冷弯薄壁型钢作为梁柱承重构件，具有以下的特点和优势：

1.1.1 在适合的项目类型中，相比焊接H型钢具有更好的用钢量经济性。特别是当跨度小于15m时，其用钢量相比焊接H型钢可以节省20%。

1.1.2 项目运作更快更便捷。其详图设计过程相比变截面焊接H型钢更简单更省设计工时，同时冷弯成型的加工工艺比焊接更省人工更快捷。

1.1.3 更标准化的设计更好的质量。这样的结构形式一般都采用标准化设计，包括构件截面标准化、连接节点标准化，从而使得加工的质量更容易保证。

1.1.4 更好的耐腐蚀性能。冷弯薄壁型钢一般采用Z275镀锌表面处理，相比油漆处理的焊接H型钢有着更好的耐腐蚀性能。

表1 刚架预起拱

1.2支撑形式

典型的屋面及柱间支撑型式包括钢拉带和圆钢两种形式，钢拉带的常规厚度为1.5~2.5mm，与梁、柱的外翼缘连接，且与屋、墙面檩条的翼缘连接，连接均采用自攻钉连接方式，拉带端部的连接自攻钉的数量由计算决定。圆钢支撑通常采用M16~M20的圆钢，通常是侧向荷载较大时作为柱间支撑使用，连接采用高强度螺栓与柱的翼缘连接，可仅设置在柱的外翼缘侧，若需要更大的承载力，可在柱的内、外翼缘双侧同时设置圆钢支撑。柱间支撑形式详见图3所示。

图3 典型支撑形式

1.3连接形式

冷弯薄壁型钢门式刚架的连接主要采用高强度螺栓承压型连接的方式，也会采用自攻钉连接的形式作为补充，高强度螺栓均采用双垫片，连接处的连接件多为标准化连接件。对于图1中类型a的刚架形式，梁柱连接节点和屋脊梁梁连接节点均为半刚性连接节点，刚度系数由实验得出。连接形式详见图4~图5所示。对于图1中的类型b和类型c的刚架形式，由于增加了柱顶斜撑杆及屋脊水平拉杆，梁柱连接及屋脊梁梁连接均采用铰接连接节点，连接形式详见图6~图7所示。柱脚一般考虑为铰接连接，常见的连接形式详见图8~图9所示。事实上，根据澳洲Ranbuild公司的实验结果，这样的连接依然有一定的转动刚度。

图4 梁柱半刚性

图5 梁梁半刚性连接

图6 梁柱铰接

图7 梁梁铰接

图8 柱脚A

图9 柱脚B

2 项目案例

2.1工程概况

博思格钢铁-蓝璀建筑钢结构（上海）有限公司在国内已有冷弯薄壁型钢门式刚架结构的实际项目运用，以下作一案例介绍。某单层门式刚架厂房结构，建筑总长度91.95m，总宽度23.15m，柱顶高度为4.46m，屋面坡度10度，结构横向为单跨，跨度20.75m，纵向柱距6m，整个建筑的施工过程中的照片及平面布置图和刚架立面图如图10~图12所示。

图10 施工中照片

图14 主要刚架连接节点

图11 平面布置图

图12 刚架立面图

图13 结构计算简图

2.2荷载取值及计算模型

考虑以下荷载条件：

▲屋面采用120mm厚夹芯彩钢板，恒载0.3kN/m2，结构自重由程序自动计算；

▲设备管线吊挂荷载由相关设备方提供，相当于均布荷载0.10KN/m2，实际分析时按集中荷载的形式计算；

▲屋面活荷载0.5KN/m2，用于设计刚架时折减为0.3KN/m2；

▲基本风压0.65KN/m2，地面粗糙度B类；

▲基本雪压0.35KN/m2；

▲抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

结构计算简图如图13所示，采用的构件截面详见表2所示。

结构设计采用PKPM-STS软件设计。

主要的刚架连接节点详见图14所示。

2.3分析结果

主要分析计算结果为：

▲风荷载作用下的柱顶侧移为6.1mm；

▲在屋面恒、活荷载组合工况下，屋脊处最大竖向位移为47mm；其中恒载作用下的屋脊处竖向位移为24.6mm，活荷载作用下的屋脊处竖向位移为22.4mm；

▲最大应力比：柱0.87（强度应力比），梁0.85（强度应力比）。

具体数据详见图15所示。

表2 构件截面表

图15 主要分析计算结果

2.4设计及施工中的问题

2.4.1 变形问题

由于镀锌表面摩擦系数较低，所以螺栓连接处都会有一定的滑移和转动，这造成了额外的刚架变形，主要反映在屋脊处的竖向位移。根据计算分析的结果，在恒载作用下的屋脊处竖向位移为24.6mm，但根据现场实测，此处在恒载作用下的位移约50~60mm，这与计算值之间存在了巨大的差异。分析下来，有两个因素：一是制作误差；二是构件间滑移造成的。后来采取了一些措施弥补：首先，所有连接处的构件表面采取了现场清洗以去除油污的措施，从而增大表面间的摩擦系数；另外，将屋脊处竖杆替换为更短的竖向杆件，从而把这个位移差弥补回来了一些。对于设计工作而言，目前根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003），承压型连接的设计不再要求摩擦系数，但如果摩擦系数太低也会对正常使用带来一定的不便，现有的规范《钢结构设计规范》（GB50017-2003）和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）中还没有镀锌接触面的摩擦系数数据，为此应有必要进行相关的实验测试补充此类数据。

2.4.2 制作问题

冷弯薄壁型钢门式刚架需要用到350高的C型檩条，同时孔位种类较多，最多时同一截面上需要四组钻头钻孔，就目前国内的檩条加工厂加工能力而言，还有一些差距。同时，加工精度也存在问题，目前檩条的制作标准主要依据《门式刚架轻型房屋钢构件》（JGJ144-2002）执行，其中对檩条的孔位尺寸的误差要求偏低，这主要是因为目前的檩条都是用作次要结构构件，如屋面檩条和墙面檩条，但作为主结构梁柱构件时，孔位的精度要求应有所提高。这样的加工精度要求，再结合镀锌构件表面摩擦系数较低，从而产生了上述的刚架额外变形，这对实际工程项目的验收也产生了一定难度。

2.4.3 防火问题

上述的这个项目实例没有防火的要求。但如果碰到有防火要求的建筑，特别是二级耐火等级以上要求的建筑，可能会有一定问题。目前镀锌檩条涂刷防火涂料，考虑到涂料附着力的因素，一般只能涂刷薄型防火涂料。曾有钢结构公司做过实验，采取了先涂刷特定的底漆后涂刷薄型防火涂料的做法，最多能达到1.5小时耐火极限，这是一种比较好的方法，但这依然不能满足二级耐火等级时单层房屋的柱子2.0小时的耐火极限要求。另外一方面，檩条截面有卷边，这对于涂刷防火涂料有一定难度，同时其涂刷面积会因为钢板薄而变的较大，经济型较难保证。