浅谈轻型门式钢架结构设计

2016-12-29中建集成房屋有限公司

大陆桥视野 2016年6期

关键词：特点设计

冯浩/中建集成房屋有限公司

浅谈轻型门式钢架结构设计

冯浩/中建集成房屋有限公司

【摘要】随着我国经济的快速发展，轻型门式钢架房屋结构也得到迅速的发展。本文结合轻型门式钢架结构质量轻、用钢量省、施工周期短、结构布置灵活、综合经济效益高的特点，阐述了轻型门式钢架结构设计中容易出现的问题，并提出了相应的解决方法。

【关键词】轻型门式钢架结构；特点；设计

1.前言

门式刚钢架构具有用钢量省、结构布置灵活、施工速度快、受力性能良好等优点，因而被广泛应用在轻型工业厂房、体育馆、展览厅、车站、仓库等工业与民用建筑中。然而，门式钢架结构在我国大量运用的时间还不是很长，部分设计人员仍会习惯性地按照普通钢结构的设计思路对其进行设计，因而在设计中存在一些不合理的地方，轻则浪费材料、降低经济效益，重则影响结构的安全性。本文从轻型门式钢架结构的特点出发，分析设计中容易出现的问题，供同行参考。

2.结构特点

2.1质量轻围护结构由压型钢板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等轻质材料组成，恒载相对小，基础比较小，整体结构自重轻。

2.2工业化程度高施工周期短，主要构件和配件均为工厂制作，构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，工地安装方便。除基础施工外，基本没有湿作业，现场施工人员配置很少，劳动强度轻。

2.3柱网布置灵活柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定，空间布置灵活，可广泛用于大中小跨度、工业民用建筑。

2.4经济效益高采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料的种类较少，易于筹措，便于运输；工程周期短，资金回报快，投资效益高。

3.设计步骤

3.1柱网布置的确定轻钢厂房结构设计中首先要配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，根据房屋的高度确定合理的跨度。通过大量计算发现，对门式刚架设计过程中柱网布置得出以下结论。（1）当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的刚架单位用钢量（Q235B）为18～28kg/m2，当跨度在21～48m之间的刚架单位用钢量为25～40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。当刚架跨度较小时，刚架用钢量甚至占总用钢量的50%以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量所占比例较小，因此，在设计门式刚架时应精确设计，合理使用。（2）随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了刚架的用钢量。其次是檩条，由于长细比的要求，用钢量增加也较快。（3）综合各项用钢量，设计时可以做出多种方案进行比较，最终选择最佳方案。

3.2门式刚架荷载取值门式刚架房屋上作用的荷载一般有:竖向荷载和水平荷载，还有地震荷载。荷载应根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）、《建筑结构荷载规范》（GB50009－2012）及《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）国家规范规定作相应的取值。

3.3刚架内力和侧移计算方法

3.3.1内力计算方法。

对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。

3.3.2侧移计算方法。

变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整:放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。

3.4檩条、拉条和撑杆设计

（1）檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。设计时，应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。檩条设计时，要考虑檩应为冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱。同时强度计算要用净断面，要考虑钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。檩条设计时，应考虑檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度，有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。（2）撑竿的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。目前也有采用钢管内设拉条的做法。撑竿处应同时设置斜拉条。

3.5屋面支撑和柱间支撑设计

（1）屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。（2）柱间支撑，对厂房来说，分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。

3.6隅撑的设计隅撑的作用

主要是阻止梁的下翼缘及柱的内侧翼缘失稳。并在设计计算中作为减少梁柱的平面外计算长度的最不利侧向支撑间的最大间距。隅撑之所以要设，是因为刚架斜梁受力的变化。在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距，上翼缘的稳定可以保证。但在受到风吸力荷载作用时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑。因此，在梁的下翼缘上应加设隅撑给钢梁的下翼缘提供支撑。