议门式刚架轻型房屋设计中的几个问题

王建军

(第九师联拓勘测设计研究有限公司，新疆额敏　834601)



议门式刚架轻型房屋设计中的几个问题

王建军

(第九师联拓勘测设计研究有限公司，新疆额敏834601)

摘要:简述了门式刚架轻型房屋钢结构的优点，结合相关规范，从雪荷载取值、风荷载体型系数取值、摇摆柱和伸缩缝的设置等方面，探讨了门式刚架轻型房屋设计中的常见问题，并提出了优化设计的建议，有利于保证房屋结构的稳定性及耐久性。

关键词:门式刚架，房屋设计，风荷载，钢结构，稳定性

0　引言

门式刚架轻型房屋钢结构以其自身所具备的诸多优点，如节省钢材、成本低、施工速度快、建设工期短、美观、性能可靠等，在工程领域中得到了广泛应用，其现已成为工业厂房、仓库等建筑的首选的结构形式，虽然是单层房屋，形式简单，但在很多问题上不同的设计审图人员对此有不同的见解或误区，本文结合几个门式刚架轻型房屋设计中常见的问题进行探讨。

1　门式刚架计算

依据我国现行GB 50009—2012规范标准中相关规定要求，可按照本规范中给出的方法对50年重现期的雪压进行确定，而对于雪荷载较为敏感的结构，则应当采用100年重现期的雪压。很多设计人员对此不加以区分只要是钢结构均按照百年重现期取雪荷载，他们认为轻钢结构太轻巧，肯定属于对雪荷载敏感的结构。但是忽略了一个问题:敏感与否固然与结构形式有关，但跨度对敏感程度影响绝对更大，抛开跨度以结构形式谈这个问题肯定是不对的。

《建筑结构荷载规范》7．1．2条文中对雪荷载敏感的结构进行详细说明，具体是指跨度大、质量轻的屋盖。对于这类结构而言，通常都是以控制雪荷载为主，若是雪荷载超出一定范围时，或是在极端雪荷载的作用下，会导致结构被破坏，严重时可能会引起结构垮塌。所以必须在设计时适当提高基本雪压，因此，要采用100年重现期的雪压。限定了“大跨度”才按100年重现期取值，那么多大的跨度对钢结构来说才算大跨度，查看GB 50017钢结构设计规范第3．1．3条条文说明对大跨度钢结构也做了论述，特指跨度不小于60 m的钢结构。故很多跨度只有十几米甚至10 m以内的门式刚架按100年取值就是不必要了。“轻钢结构雪载按100年重现期取值”作为设计加大承载储备的目的和出发点是对的，但不是说轻钢结构的雪荷载就必须按100年重现期取值。

2　风荷载体型系数的选取

依据我国现行的CECS 102∶2002规程中的规定要求，“屋面坡度不大于10°、屋面平均高度不大于18 m、房屋高宽比不大于1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸”，这是风荷载体型系数规定的使用范围。应当指出，18 m限值不是单层房屋的高度要求，而是风荷载体型系数的适用高度限值。对于高度超过了18 m，高宽比大于1的，均已超出低矮房屋风荷载体型系数的适用范围，此时，风荷载体型系数应按现行国家标准GB 50009建筑结构荷载规范的规定计算。对于敞开式房屋风荷载CECS 102上没有规定，可参照规程管理组补充发表的对CECS 102的勘误和补遗一文，或按照GB 50009建筑结构荷载规范取包络计算。

3　门式刚架的中柱的做法

我国现行的CECS 102∶2002规程中，对门式刚架的柱脚设计给出了明确规定，即采用门式刚架时，柱脚应当采用铰接支撑。如果门式钢架在有5 t以上桥式吊车的工业厂房中应用时，在对柱脚进行设计时，宜采用刚接的方式。部分设计人员认为，规程中用了“宜”采用，而不是应采用，换言之，在具体设计时，可以采用刚接，也可以不采用刚接或是采用铰接，而实质上这是一种错误的理解。在此需要特殊阐明的一点时，该规程中指明是柱脚连接，而并不是柱顶与斜梁之间的连接，但凡带有吊车的柱顶与斜梁之间的连接均应当采用刚接的方式进行连接，若是厂房内的吊车吨位较小，门式刚架结构的柱脚可以采用铰接的方式进行连接，但却并未指明摇摆柱可以采用铰接。由于摇摆柱是承受轴向力的构件，其又被称之为二力杆，当门式刚架结构的厂房内设有桥式吊车时，搁置吊车梁处会同时存在弯矩及吊车的横向刹车力，而此时其将不再是只承受轴向力的构件。鉴于此，在有桥式吊车的多跨门式刚架结构内，中柱不应该采用摇摆柱，因为使用摇摆柱会导致厂房的刚度降低，吊车行走时会出现晃动，容易引起安全事故。

4　门式刚架轻型结构刚架梁平面内的稳定性验算

GB 50018冷弯薄壁型钢结构技术规范第10．1．1条规定:“当刚架梁位于平面内时，可按照压弯构件对其强度进行计算，而实腹式刚架梁则应当按照压弯构件对其在刚架平面外的稳定性进行计算。”而不需要计算其在刚架平面内的稳定性。该条文说明指出:“刚架斜梁的主要作用是承受弯矩，并承受一定的轴力，作为压弯构件，它的轴力会随着坡度的减小而减小(对于山形门式刚架，斜梁轴力沿梁长是逐渐改变的)，当屋面坡度不大于1∶2．5时，由于轴力很小，可仅按压弯构件计算其在平面内的强度(此时轴压力产生的应力一般不超过总应力的5%)，而不必验算其在刚架平面内的稳定性”。CECS 102规定的屋面坡度宜取1/8～1/20，按此坡度，在竖向荷载作用下斜梁所受轴压力更小，轴压力产生的应力在总应力中所占比重更小，更是可仅按压弯构件计算其强度而不需计算其在刚架平面内的稳定性。

5　多层钢结构顶层采用门式刚架时的分析方法

依据我国现行的CECS 102∶2002规程中的规定，当多层建筑结构最顶层采用门式刚架时，刚架的设计、制造以及安装等应当参考本规程中的相关要求。同时，还应结合下部结构的实际情况，充分考虑其对顶层柱底位移的影响。具体而言，多层钢结构房屋建筑的顶层采用门式刚架时，要以CECS 102∶2002规程为参考依据，并且应当在设计的过程中将顶层与下部作为一个整体进行分析，从而确定在水平力作用下，下部结构对顶层的不利影响。此外，按照以往同类工程的经验，在顶层屋盖的设计中，应当设置纵向水平支撑，使其与横向支撑构成封闭体系，借此来增强顶层屋盖的刚度。而顶层结构的柱顶位移限值则宜适当严一些，至于“严”多少，宜根据房屋总高度、下部结构的层数和刚度，综合考虑。

6　门式刚架的伸缩缝设置

依据我国现行的CECS 102∶2002规程中的规定，采用门式刚架的轻型钢结构房屋的温度区段长度应符合以下要求:纵向温度区段的长度不超过300 m;横向温度区段的长度不超过150 m。按照工程经验，对未设置桥式吊车的工业厂房，当整体长度不足180 m时，可忽略温度变化对结构的影响，若是长度超过180 m但不足450 m，可以不设置伸缩缝。纵向构件可以采用螺栓的方式进行连接，长度超过180 m但不足450 m时，伸缩缝可由纵向构件的端部连接处的螺孔予以消除，在这一条件下，连续构件的内力变化基本不会对结构的整体性造成不利影响。而GB 50017钢结构设计规范第8．1．5条的规定一般认为是对重型钢结构而非轻钢结构而言，按照8．1．5条注1“厂房柱为其他材料时，应按相应规范的规定设置伸缩缝。围护结构可根据具体情况参照有关规范单独设置伸缩缝”。鉴于此，常规的门式刚架可以依据CECS 102∶2002规程中有关的规定要求进行设计。

7　檩条计算时考虑上翼缘的侧向约束

轻钢结构建筑的围护板按其连接构造方式主要有三大类:第一类是普通带肋压型钢板，由自攻钉直接固定在檩条和墙梁上，同时板与板的侧边搭接用缝合钉固定，具有很强的板平面内的抗剪刚度和强度，一般情况下可以完全约束受其连接的檩条(墙梁)翼缘的侧向弯扭变形，解决该翼缘的弯扭失稳问题，单块的压型钢板与檩条或墙梁共同组成整体屋面和墙面后，具有极好的蒙皮效应，使得以平面受力为特征的门式刚架具有很好的空间性能。它是三类板型中抗风能力最强的。第二类是带弹性卡槽肋的压型钢板，由弹性卡槽扣合在固定支架上，由于压型钢板不直接与檩条固定，完全靠弹性卡槽扣合力来固定，而这种扣合力不可能有自攻钉的连接那么强，因此它的蒙皮效应非常弱，不可能有效地约束檩条翼缘的侧向弯扭变形解决檩条上翼缘的弯扭失稳问题。第三类是卷边咬合式屋面板，板与板之间及板与固定座的连接片之间采用180°～360°咬合方式固定，其中连接片在固定座中可自由滑动。

檩条设计时，如何考虑围护板对檩条的侧向约束值得重视。对于第一类板型，可以认为檩条上翼缘受到足够的侧向弯扭约束，不用计算上翼缘受压时的稳定;第二类板不可考虑对檩条上翼缘的侧向弯扭约束，因檩条翼缘的侧向弯扭带动固定座有使屋面板脱出的危险;第三类板差异很大，要根据具体构造分别考虑。

综上所述，门式刚架设计时应根据具体工程具体分析，判断其适用哪个规范规程，才能做出合格的设计。

参考文献:

［1］陈友泉，魏潮文，蔡益燕．门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［2］CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］．

［3］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］．

［4］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］．

［5］GB 50018—2002，冷弯薄壁型钢结构技术规范［S］．

On problems in design for door-type steel support structure

Wang Jianjun
(No．9 Division Liantuo Survey，Design and Research Co．，Ltd，Emin 834601，China)

Abstract:The paper indicates the advantages of the door-type steel support structure，explores the common problems in the design for the support frame from snow load value，value of wind load frame coefficient，leaning column，and allocation of expansive joint combined with relevant specifi-cations，and points out the optimal design suggestions，so as to ensure the stability and durability of the housing structure．

Key words:door-type steel support，housing design，wind load，steel structure，stability

作者简介:王建军(1979-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-29

文章编号:1009-6825(2016)01-0060-03

中图分类号:TU318

文献标识码:A