轻型钢结构的工业应用与常见设计问题

轻型钢结构的工业应用与常见设计问题

李来军

(中国建材国际工程集团有限公司，深圳 518054)

摘要：该文对门式刚架轻型钢结构的结构特点、内力计算进行了简单介绍，并对一些设计中经常遇到但容易忽略的细节问题做了阐述和分析。

关键词：腹板屈曲后强度；弹性分析；焊缝检测

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.017

Abstract:This paper summarizes several characteristics of light-weight steel structure about gabled frames and internal-force calculation.Some common design problems in the design process are also described and analysed.

收稿日期：2015-02-20.

作者简介：李来军(1982-)，工程师.E-mail:lljdyx@hotmail.com

Several Design Problems and Industrial Applications

of Light-weight Steel Structure

LILai-jun

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:post-buckling strength of web plate；elastic analysis；weld inspection

钢结构以钢材为主要建筑材料，由于钢材质量轻、强度高、韧性和塑性好，同时结构上也具有抗震性能好、造型方便多样、工厂化制造程度高、施工安装周期短等特点，使得钢结构在工业、民用等领域内都有着越来越广泛的应用。

门式刚架轻型房屋钢结构主要用于轻型的厂房、仓库及大型超市等需要较大跨度的场所，可以满足较大敞开空间的要求，其在我国的工程应用大约始于20世纪80年代初期。随着《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(下简称《门规》)于1998年颁布实行后，更是得到了迅速发展。

1单层门式刚架结构的组成和特点

1)适用于《门规》的单层房屋钢结构主要指以单跨或多跨实腹门式刚架为主要承重结构，具有轻型屋盖和外墙，无桥式吊车或有起重量不大于20 t的A1~A5工作级别桥式吊车或3 t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。实腹式门式刚架多用轻型焊接H型钢作为主要承重骨架，并辅以适当的支撑结构。屋面及墙面檩条多用冷弯薄壁型钢制作。屋面、墙面板多以压型钢板制作，并采用岩棉、玻璃棉、泡沫塑料等作为保温隔热材料。

2)由于围护结构多采用轻质材料，因此结构整体质量很轻，相同跨度和荷载条件下的用钢量较少减少，同一地质条件下基础也可做得比较小。同时地震作用也小，使得一般情况下地震作用参与的内力组合在钢架构件设计中起不到控制作用。但是较轻的质量也会使得风荷载对门式刚架产生比较大的影响，风载较大时可成为控制荷载，还可使轻型屋面的受力方向反向。

3)轻型钢结构的主要构配件都是在工厂制作的，质量易于保证，现场安装快速，施工方便，工程施工周期短。由于板件较薄，外力撞击容易发生局部变形，锈蚀也会使构件截面削弱。因此，轻型钢结构对加工制作、涂装、运输及安装的要求较高，需要在运输和安装过程中采取必要措施防止构件腐蚀变形。

2刚架的内力分析及实腹式构件的内力计算

1)在变截面门式刚架的计算中，确定各种内力采用的是弹性分析方法。采用相关软件进行内力分析时多按平面结构考虑，一般不考虑应力蒙皮效应。蒙皮效应是将屋面板视为沿房屋全长伸展的深梁来承受平面内荷载，但这个作用很难加以利用，仅当有必要且有条件时才考虑此因素。

2)内力分析方法一般有结构力学方法、有限元法(直接刚度法)、利用静力计算公式和图表分析法。构件分段可采用楔形单元，地震作用效应可采用底部剪力法来考虑。

对等截面门式刚架，内力分析亦可参考上述方法进行。对于不直接承受动力荷载的情况，允许采用考虑构件沿长度方向的截面间的内力重分配，即在构件全部为等截面时，允许采用塑性分析方法，此时需按国家标准《钢结构设计规范》(下简称《钢规》)的要求设计。

塑性分析方法是指在超静定结构中按预想的截面部位达到屈服强度而出现塑性铰，并能产生所需的转动，使结构形成机构，最终可能形成静定结构，进而达到塑性内力重分布的目的，但必须保证结构不形成可变或瞬变体系。也因此，塑性分析要求对构件中的板件宽厚比严加控制，以避免由于板件局部失稳而降低构件的承载能力。

对变截面构件，因为门式刚架达到极限承载力时，可能会在多个截面同时或接近同时出现塑性铰而使刚架瞬间形成机动体系，故不宜利用塑性铰出现后的内力重分布，而且变截面门式刚架构件的腹板经常用得很薄，截面塑性发展的潜力不大。因此，各种规范及软件中的内力计算多采用弹性分析方法，而仅在构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法，只是这种情况下需按《钢规》进行设计，现在此种情况在实际工程中已很少采用。而对于等截面构件弹性设计时，可考虑与变截面构件相同的方法计算。

3)考虑屈曲后强度方法是指受弯构件的腹板丧失局部稳定后仍具有一定的承载能力，构件计算时可充分利用腹板屈曲后承载力的一种构件计算方法。工字型截面受弯构件中的腹板以受剪为主，翼缘以抗弯为主，增大腹板高度可直接增大截面惯性矩，有利于翼缘抗弯能力的发挥，但增大腹板高度的同时也相应增大厚度的话，腹板用钢量会增加较多，相比而言会增加成本。允许腹板发生局部屈曲，并利用板件的屈曲后强度，可使腹板宽厚比放大，腹板高度增大而厚度较薄，可显著减少腹板的厚度，节省钢材。

考虑屈曲后强度的腹板抗剪承载力的计算方法很多，《门规》中采用的是一种简化方法，即用有效宽度计算截面特性，其计算结果属于下限。但当腹板高度变化超过60 mm/m时，《门规》中的6.1.1款不适用，此时不宜利用屈曲后抗剪承载力，PKPM软件中的钢结构相关模块即采用的此种方法。

3计算设计中的软件应用及一些问题

1)门式刚架轻型房屋整体建筑的结构组成，可以分为横向平面内钢架、纵向及横向的支承体系和围护结构。在PKPM的钢结构相关模块中，整体结构通常是简化为平面结构计算，即横向平面内的刚架构件按二维模型进行建模计算。纵向布置相应的支撑体系并加以必要的辅助计算，而屋面及墙面围护结构部分均按对应的构件进行相应计算。

2)门式刚架中较大跨度的钢梁需要分段，主要需根据运输及施工等实际情况、建筑柱网及计算受力条件将钢梁分成合适的长度及段数。分段点可尽量取在弯矩较小处，在梁柱相接处，通常梁端弯矩较大，工字型构件截面高度也会较高。如果需要考虑腹板屈曲后强度，则需要调整此梁段的长度，使腹板高度变化率符合《门规》要求，否则该梁段不满足变化率的条件。腹板高厚比等限值要按照《钢规》中的相关条文进行控制，此时若需要增加板件的厚度，就会使材料用量增加，同时也增加了结构自身的质量。

当屋面斜坡较长时，坡度经常不超过1∶5，如成品仓库单坡长度经常超过40 m，坡度常为1∶15或1∶18，此时因为斜梁的轴力很小，计算时可按压弯构件计算其强度和刚架平面外的稳定。若不计算平面内的稳定，软件中的选项可不勾选。

3)通常软件可自动计算各构件平面内的计算长度，设计时仅需指定平面外的计算长度。对于设置有吊车的钢柱，其平面外计算长度的指定需综合考虑刚性系杆的布置及牛腿所在位置，使交节点可以直接传递外力；在有柱间支撑的钢柱处，可在吊车梁与钢柱之间设置隅撑，以适当考虑吊车纵向荷载作用点与钢柱之间的偏心；对钢梁的平面外计算长度，取2倍屋面檩条间距的方法也已有较多实例工程可供参考。

在门式刚架结构中，刚性系杆及柱间支撑是很重要的纵向连接构件，通常按照《门规》中的长细比及实际的计算长度进行设计控制即可。但当建筑布置有吊车以及风荷载较大或山墙面受风荷载面积较大时，应对受力系杆及支撑进行必要的辅助计算复核。

4)节点的设计中，2012版的《门规》新增了部分关于梁与柱连接节点刚度计算的条文，强调了此处的刚度对刚架整体刚度的重要性。同时，也指出了一些提高节点刚度的措施，如设置斜加劲肋、局部加厚腹板等，可根据实际情况应用。

考虑到钢结构焊接工艺的特点，一般在设计时，对于一些不太方便进行焊接操作的地方，如梁柱端板相连处以及系杆与梁相连处多采用螺栓连接的方式，使用高强螺栓等直接安装，以避免高处作业的不便以及随之而来的连接节点的不可靠。

门式刚架通常采用外露式钢柱脚，通过锚栓固定于基础之上，而锚栓有Q235和Q345两种材料之分，为了充分发挥材料强度，Q345材质的锚栓锚固在基础中的长度是要比Q235的长一些。因此，综合考虑柱脚受力情况和锚栓长度，采用Q235材质是可以节省部分材料的。

5)对于屋面檩条设计，需考虑实际中压型钢板屋面是否能阻止上翼缘受压侧向失稳，如果屋面连接采用可活动扣件时，按屋面不能阻止考虑。而当屋面可阻止上翼缘失稳时，需要注意《门规》附录E的适用条件，即面板的基板厚度不小于0.66 mm。计算软件中亦有相关参数选项可选，对于成品仓库这种屋面范围较大的建筑，实际情况中，考虑到温度变化引起的材料热胀冷缩等问题，使用的多是可活动扣件，此时软件中的选项通常不勾选。

6)坡屋面较长时，过长的坡面会使沿坡面向下的分力积累，屋脊处最大，因檩条板材较薄，所以拉条承载力通常比檩条孔壁承载力大，螺帽会先从孔壁中拔出。因此，坡长较长时建议增设斜拉条，把坡面向下方向的分荷载分段导向钢架梁。同理，墙面较高时也可适当增设斜拉条。斜拉条的张拉角不宜太小，最边处两道檩条檩距过小时，斜拉条可内移一檩距，并在外边的檩条之间设置刚性杆连接。

7)焊接是钢结构的主要连接方式之一，图纸中对于焊缝的质量等级，应根据结构的形式、环境、荷载条件及构件的受力方式等因素对不同的焊缝形式提出明确、具体且合理的质量等级要求，以符合相关规范的规定。同时，也要避免给钢结构制作及施工等单位带来不必要的困难。

《钢结构工程施工质量验收规范》规定，焊缝质量检查标准分为三级，对应有外观检验和无损检测，所有焊缝均应冷却到环境温度后进行外观检查。其中第三级只要求通过外观检查，即检查焊缝实际尺寸是否符合设计要求和有无看得见的裂纹、咬边等缺陷，我国现阶段规范对三级焊缝是不进行无损探伤的。对于重要结构或要求焊缝金属强度等于被焊金属强度的对接焊缝，必须进行一级或二级质量等级对应的检验，即在外观检查的基础上再做无损检验，且无损检测应在外观检查合格后进行。

钢结构第一阶段设计图纸中，对焊缝等级是应该有符合设计深度的设计标注的，设计者应对各种焊缝的表示方法有清晰的认识。通常只有需要进行疲劳计算的构件，且作用的拉力垂直于焊缝长度方向的横向对接熔透焊缝或T形对接与角接组合熔透焊缝才要求一级，其余情况可根据《钢规》中相关条文进行判断。对于角焊缝，实际情况中多为三级，但有些情况下可要求外观二级，只是一般情况下，重要的连接焊缝是不采用角焊缝的，《钢结构焊接规范》中有相关表格，对不同等级对应的检测要求有详细描述。基本上受拉焊缝的质量等级高于受压或受剪的焊缝，受动力荷载的焊缝质量等级要高于受静力荷载的焊缝，熔透的要求与母材等强的对接焊缝的质量等级不能低于二级，应尽量避免不分具体情况就把焊缝等级提高的设计要求。

参考文献

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