浅析门式刚架设计中荷载的取值

郭海利

摘 要：本文主要介绍了门式刚架钢结构在结构设计中不论是主结构还是次结构，荷载取值错误、漏输、错输的情况及对其结构计算的影响。

关键词：门式刚架；荷载；设计

1 前言

伴随着我国经济与科學技术的快速发展，钢结构已逐步在工业厂房，商业大楼，民用住宅，大型场馆等公共建筑中被广泛应用。轻型钢结构除具有普通钢结构的材质均匀，可靠性高；强度高，重量轻；塑性韧性，抗震性能好；便于机械化制造，施工期短；可回收，建筑造型美观等特点以外，一般还具有取材方便，用料较省，自重更轻等特点。它对加快基本建设速度，特别对中小型企业的建设，以及对现有企业的挖潜、革新、改造等工作能够起到显著地作用，因而受到建设单位，尤其是在工业建筑中的普遍欢迎。由于轻型钢结构的经济指标很好，总造价较低，再加上结构自重轻为改革重型结构体系创造了条件。因此，轻型钢结构是很有发展前途的一种结构形式。

在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；维护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃丝绵。门式刚架轻型房屋钢结构设计一般采用以概率理论为基础的极限状态设计法，按分项系数设计表达式进行计算；承重构件按承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

2 门式刚架的适用范围及特点

2.1 门式刚架适用范围

门式刚架通常用于跨度9米～36米、柱距6米，柱高4.5米～12米，设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑）。设置桥式吊车时，宜为起重量不大于20t的中、轻级工作制的吊车，设置悬挂吊车时，其起重量不宜大于3t。

2.2 轻型门式刚架钢结构由主结构和次结构组成

主结构包括横向框架、纵向支撑及系杆，次结构包括檩条、隅撑及屋墙面板。计算分析一般是将主次结构组成的空间问题简化为二维平面问题，即横向简化为平面刚架，纵向简化为屋面水平支撑和柱间支撑，檩条简化为单跨简支或多跨连续檩条，采用钢结构设计软件进行。特点主要有：

（1）采用轻型屋面，可减小梁柱截面及基础大小。

（2）在大跨建筑中增设中间柱做成一个屋脊的多跨大双坡屋面，以避免内天沟排水。中间柱可采用钢管制作的上下铰接摇摆柱，占空间小。

（3）刚架侧向刚度可藉檩条和墙梁的隅撑保证，以减少纵向刚性构件和减小翼缘宽度。

（4）跨度较大的刚架可采用改变腹板高度、厚度及翼缘宽度的变截面。

（5）刚架的腹板允许其部分失稳，利用其屈曲后的强度，即按有效宽度设计，可减小腹板厚度，不设或少设横向加劲肋。

（6）竖向荷载通常是设计的控制荷载，地震作用一般不起控制作用。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载的作用不应忽视。

（7）为使非地震区支撑做得轻便，可采用张紧的圆钢。

（8）构件可全部在工厂制作，工业化程度高。构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓连接，安装方便快速，土建施工量小。

3 永久荷载取值问题

对于门式刚架轻型钢结构而言，永久荷载包括屋墙面板、通风器、檩条、支撑系杆、刚架梁柱及连接等构配件的自重。常见永久载取值问题：

（1）永久荷载漏算或取值偏小。少算或漏算建筑已确定的构件自重、吊顶荷载或悬挂荷载，这将导致竖向永久、可变荷载控制设计时，结构计算内力及变形偏小。

（2）计算中漏算刚架自重。如钢结构在采用STS计算刚架时，计算总信息显示“梁柱自重计算信息IA”为0，即程序设定不算自重。一般刚架计算自重参数必须填写正确。

（3）屋面板或墙面板荷载取值偏小或漏算。如刚架工程采用夹芯双层压型钢板，计算却按单层板重量采用；墙梁计算中一侧墙板重量未计入，少算了墙板总重对墙梁弱轴所引起的效应。

（4）漏算纵向构件传至横向刚架的荷载，如抽柱设置托梁处漏算或少算托梁传来的荷载；未计入屋面通风器自重荷载。

（5）永久荷载受荷宽度取值偏小，致使刚架或檩条每延米恒载偏小。

（6）漏算少算悬挂荷载，CECS102第3.2.1条规定“悬挂荷载应按实际情况取用”，如对展厅、超市或厂房内可能在屋面小悬挂设备、管道或吊顶。

4 可变荷载取值问题

对轻型门式刚架而言，一般可变荷载包括屋面可变荷载、屋面积灰荷载及施工或检修荷载。

屋面刚架荷载取值较大和屋面檩条荷载取值偏小。《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）（2012年版）中第3.2.2条附注“对受荷水平投影面积大于60 m2的刚架结构，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2。”这是针对刚架计算的。部分工程在计算檩条时，本应按0.5kN/m2取值，却取上述仅适用刚架的0.3 kN/m2。一个特殊的情况是，若存在两个或两个以上可变荷载并计入荷载组合系数参与组合时，即使屋面投影面积大于60m2，屋面活载仍应取0.5kN/m2，其依据是《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中第3.2.1条注：“对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60 m2时，屋面均布活荷载标准值应取0.3kN/m2”。

案例分析：精粉储存大棚，见右图，结构形式为单层双跨门式刚架结构，跨度21米，柱距7.5米，刚架的计算面积为右图中阴影部分，面积为7.5×7×6=315 m2≥60 m2，根据规范要求计算GJ屋面均布活荷载取0.3 kN/m2。屋面均布活荷载：当采用0.5 kN/m2时，每榀GJ的用钢量为4062.1kg，当采用0.3kN/m2时，每榀GJ的用钢量为3534.6kg。从计算结果可以看出每榀GJ相差4062.1-3534.6=527.5 kg。

5 风荷载取值问题

门式刚架自重轻，对风荷载非常敏感，在风吸力作用下往往会发生荷载效應反向的情况，在基本风压较大的地区一般是由风荷载工况控制设计的。若风荷载取值偏小，类似于前述恒载取值偏大的情况（恒-1.4风）组合效应减小，会使结构或构件的实际变形和内力大于计算值，原本构件或板件应出现较不利的受压稳定问题变成受拉强度问题。基本风压W0按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定值乘以1.05采用；当按以上方法计算风荷载时，横向刚架两侧墙面风压体型系数的代数和不宜小于1.2（不论是否分区、是否封闭）。

5.1 体型系数取值

根据CECS102第A.0.2条规定，门式刚架若符合低矮房屋的特征，即：屋面坡度α≤10°、屋面平均高度≤18m、房屋高度比≤1、檐口高度≤房屋的最小水平尺寸时，应按CECS102附录表A的体型系数取用。

刚架计算未区分端区和中间区不同的体型系数，围护结构计算未区分边缘带、中间区及角部不同的体型系数，均采用体型系数较小的中间区，导致位于端区边缘带、角部构件不安全。

5.2 风荷载控制时，恒载取值偏大

门式刚架结构自重一般较轻，单层屋面压型钢板及檩条自重仅为0.1～0.15kN/m2，而作用方向相反的屋面基本风压按荷载规范要求至少达0.3 kN/m2，故在（恒-1.4风）工况组合下其荷载效应一般小于0，即构件下翼缘产生压应力。由于风荷载参与组合下屋面构件自重对结构有利的，故恒载取值偏大较多时会使（恒-1.4风）组合效应减少，下翼缘压应力减少，甚至使下翼缘出现拉应力，掩盖了檩条实际存在的下翼缘受压稳定问题。

6 结束语

目前，钢结构计算机辅助设计软件功能越来越全，智能化程度越来越高，比如PKPM-STS可以人工空间建模、自动平面计算，甚至可以做到根据输入的原始参数自动选择截面。因此，在轻型门式刚架设计将空间问题简化为平面问题过程中，应重视永久荷载、可变荷载、风雪荷载及吊车荷载的取值大小、受荷面积及作用方向，同时应正确理解规范和规程中关于荷载方面各条款的编制背景，以便在设计中正确应用。

参考文献：

[1] GB 50017-2003.钢结构设计规范[S].

[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] 陈岱林，赵兵，刘民易.PKPM结构CAD软件问题[J].