浅析一榀轻型门式刚架的计算要点

李素华

随着我国经济的快速发展和工业化水平的提高，越来越多的工业建筑采用钢结构设计，特别是大跨度结构和轻钢屋面结构，在满足使用和工艺要求的前提下，用钢结构设计要比用钢筋混凝土结构设计优势更大。

一、工程概况和结构方案

本工程为三联跨（24.0m+24.0m+18.0m）全钢轻型门式刚架结构厂房，用于一般汽车零部件机械加工。门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离为9.0m，共有24榀门式刚架，双坡屋面，其坡度为1/20，屋脊高度为14.15m，屋檐高度12.5m，女儿墙高0.7m；每跨为2台10T电动双梁吊车，轨顶标高为9.0m；屋面要考虑太阳能光伏发电装置的荷载，其荷载按0.2 kN /m2考虑，屋面不考虑积灰荷载和其它附加吊挂荷载；屋面外板采用0.6mm厚360度卷边镀铝锌板，中间用100mm厚优质粉红色离心玻璃棉卷毡（在24℃环境下容重约16kg/m3），外墙外板采用50mm厚聚氨酯夹芯板，屋面内板和外墙内板均用0.5mm厚镀铝锌压型钢板做衬板。

二、一般门式刚架轻型房屋钢结构厂房的特点和荷载取值

一般门式刚架轻型房屋钢结构厂房，具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点；门式刚架可按二维平面刚架模型去计算。根据本文的重点讲解和结合现行有关规范的规定，仅对计算中间跨一榀门式刚架需要的荷载进行统计。

屋面恒荷载：0.3kN/m2（指屋面围护构件檩条、支撑、拉条等屋面次构件自重），太阳能按恒荷载：0.2kN/m2，合计轻钢屋面恒荷载取0.5kN/m2。

屋面活荷载：根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）（以下简称《门刚规范》）4.1.3条的规定：对承受荷载水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.30 kN/m2，故对于刚架计算，屋面活荷载取：0.3 kN/m2。

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）（以下简称《荷载规范》）7.1.2条及条文说明、续表E.5的规定：对雪荷载敏感的结构，应采用100年重现期的雪压，湖北省老河口市取基本雪压：0.4 kN/m2（100年一遇），同时取基本风压：0.3 kN/m2（50年一遇）；根据《门刚规范》4.3.1条规定：基本雪压按现行国家标准《荷载规范》规定的100年重现期的雪压采用，故取基本雪压：0.4 kN/m2（100年一遇），转化为刚架梁线荷载：0.4 x9=3.6 kN/m（考虑均匀分布的情况）。若根据《门刚规范》表4.3.2的规定：对于单跨双坡屋面要考虑不均匀分布的情况，没有屋面坡度限值，即一半跨为0.75，转化为刚架梁线荷载：0.75x0.4x9=2.7kN/m，另一半跨为1.25，转化为刚架梁线荷载：1.25x0.4x9=4.5 kN/m，而《荷载规范》表7.2.1规定：单跨双坡屋面仅当坡度在20～30度范围时，可采用不均匀分布情况，这与《门刚规范》表4.3.2有冲突。对于多跨一个双坡屋面没有明确规定是否考虑雪荷载不均匀分布的情况，为了更好地了解雪荷载分布对门式刚架用钢量的影响，本文第一个计算模型仅考虑了雪荷载均匀分布的情况，第二个计算模型考虑了雪荷载均匀分布的情况和不均匀分布的情况，其它荷载、参数都一样，分别进行了两种计算模型计算与分析。

屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，在计算软件PKPM中活荷载工况中定义为互斥荷载。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）附录A.0.15的规定：老河口市抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。根据本工程的地勘报告可知场地类别为Ⅱ类，场地土类型为中软场地土，建筑抗震设防类别为丙类，地面粗糙度为B类。

三、计算软件PKPM --STS（2010年V3.2版）的设计计算与分析

根据《门刚规范》1.0.2条规定：本规范适用于房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1，承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖、无桥式吊车或由起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车的单层钢结构房屋；又根据《门刚规范》5.2.2条规定：门式刚架的单跨跨度宜为12m～48m，门式刚架的间距宜为6m～9m；又根据《门刚规范》5.2.3条规定：门式刚架轻型房屋的屋面坡度宜取1/8～1/20；又根据《门刚规范》5.2.4条规定：门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度：1.纵向温度区段不宜大于300m；2.横向温度区段不宜大于150m。结合本项目的实际情况，均符合《门刚规范》有关规定。

计算软件按PKPM- STS（2010年V3.2版）二维门式刚架模块设计，结构类型按“门式刚架轻型房屋钢结构”，设计规范按《门刚规范》计算，其它主要参数按相应规范取值，注意：屋面活荷载要考虑不利布置情况，雪荷载按一次加载。

第一个计算模型仅考虑了雪荷载均匀分布的情况，配筋包络和钢结构应力比图见图1，此模型用钢量统计：所有钢柱的总重量 (kg)= 4801，所有钢梁的总重量 (kg)=3999，钢梁与钢柱重量之和 (kg)= 4801+3999=8800。

图1

第二个计算模型考虑了雪荷载均匀分布的情况和不均匀分布的情况，配筋包络和钢结构应力比图见图2，此模型用钢量统计：所有钢柱的总重量 (kg)= 4844，所有钢梁的总重量 (kg)= 4275，钢梁与钢柱重量之和 (kg)=4844+4275=9119。

图2

两个计算模型相比，第二个计算模型比第一个计算模型屋面雪荷载仅多考虑了不均匀分布的情况，其它荷载、参数都一样，结果两榀刚架用钢量相差：9119-8800=319 kg，如果本工程仅对24榀门式刚架用钢量统计，即24x319=7656 kg，两者相差7656 kg钢材。

四、结语

根据本工程的实际算例和结合个人经验，多跨一个双坡屋面，如雪荷载比较大的话，如大于0.5kN/m2，屋面要考虑雪荷载不均匀分布的情况，如雪荷载不大的话，屋面可以不考虑雪荷载不均匀分布的情况；另外，屋面安装了太阳能光伏发电装置，门式刚架斜梁的构件挠度限值按L/180还是L/240控制？这些需要设计人员注意和自行考虑。