门式钢架结构工业厂房结构设计探讨

2020-11-25李倩

建材发展导向 2020年2期

李倩

（合肥水泥研究设计院有限公司，安徽合肥 230001）

门式钢架结构作为一种轻型钢结构，因质量轻、强度高、工业化水平高，工程施工周期短且成本费用较低，被广泛应用于工业厂房、仓库、大型体育场以及展览厅等建筑结构中。然而，尽管其应用优势明显，但如果其出现结构设计不合理的问题，会直接影响到建筑质量及其耐久性，严重的话可能会产生安全事故，因此有必要对门式钢架结构设计进行充分研究。

1 门式钢架结构工业厂房应用必要性

相比于钢筋混凝土，钢材因其质量轻、强度高、力学性能好等特征，作为一种建筑材料被广泛运用于各种建筑结构，这也使得钢结构整体自重小、抗震性能更为优良。在《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称《门规》）中就规定，当抗震烈度为7 度（0.1g）及以下时，单层门式钢架结构一般不需要做抗震验算。轻钢结构安装方便、快捷，无论在施工人员的数量、施工工序，还是施工时间上，相比传统的钢筋混凝土结构都有着较为明显的优势。此外，在工业厂房中应用轻钢结构的一个重要原因就是造价成本低。同时，钢构件在现场拼装前可根据设计要求提前生产，前期制作环节也使得整个建设工期大幅度缩减，施工成本进一步降低。钢架结构作为一种可以多次重复使用的材料，可以根据工业厂房的实际要求进行拆卸重组，因此钢架结构在使用中也有着较好的环保性能。

2 实例分析

2.1 工程概况

某地工业厂房的高度为二十米，跨度为三十米，仓库里面是十六米高的钢板仓，没有吊车等设备，有一千六百五十平方米建筑面积，室内外的高差为三百毫米，要求采用门式刚结构进行设计安装。此外，该地为七度的抗震设防烈度，基本的地震加速度值在设计中为0.10g。该地距离海洋较近，基本的风压0.6kN/m2。工程中采用Q345B 级钢，结构安全等级为2 级。

2.2 结构布置

焊接H 型截面门式刚架是该工程的主承力体系，压型钢板轻型材料是建造外墙围护结构和屋顶的主要材料。刚架柱柱脚固结，要采用全高等截面的柱子。为了使柱子平面外的计算长度能够尽量减小，使整体结构空间的稳定性得到保证，就要在厂房纵向每榀钢架柱间除了设置刚性系杆在柱顶之外，还要额外设置两道刚性系杆在柱中。同时还要设置通长刚系杆在屋盖的纵向，它们之间的间距一般。

2.3 结构设计分析

该建筑工程的实际高度为二十米，这个值高于GB51022-2015《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》中十八米的要求，因此在实际的设计过程中不能完全参照《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》，应该对其他结构的设计规范进行参考。

1）载荷：恒载、活载以及风荷载都在载荷需要考虑的范围之内。其中根据《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》和GB5009-2012《建筑结构荷载规范》取风荷载的较大值。经过对比可以发现，柱子有更大的《建筑结构荷载规范》风荷载，而梁有更大的《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》风荷载。鉴于以上这种情况，建议采用《建筑结构荷载规范》风荷载来进行结构整体的计算，在进行屋面斜梁的验算时可以使用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》风荷载。在输入柱子的风荷载后，计算时可以采用梯形荷载等方式。

2）板件宽厚比控制：构件不仅要满足挠度和强度的要求，同时还要满足局部稳定的要求，所谓的局部稳定就是指腹板应该达到高厚比的要求，翼缘应该达到宽厚比的要求。在《钢结构设计规范》中所规定的腹板高厚比要比《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中的规定严格许多，这是因为腹板的屈曲后强度也在轻钢结构设计的考虑范围中。

因为《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》的限制高度已经不适用于该建筑工程，因此在进行控制时不建议采用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》。对于轻屋盖厂房来说，如果它的设防烈度在八度或者以下，就能够采用性能化设计，这种方法有两种情况：一是低延性和高弹性承载力，二是高延性和低弹性承载力，也就是说在不同地震作用的承载力情况下，如果构件的强度和稳定都能够达到的一定的要求，那么就允许构件在计算弹性设计阶段板件宽厚比时采用不同的限值。该建筑工程的性能设计方法采用“低延性和高弹性承载力”，也就是说当有较高的地震作用承载力时，如果结构能够满足这一要求，就能够允许构件在计算弹性设计阶段板件宽厚比时采用比较低的限值，这就使板件宽厚比的要求在一定程度上放宽了。当有两倍多的地震作用承载力时，如果结构能够满足这一要求，那么就允许构件在计算弹性阶段板件宽厚比时采用GB50017-2003《钢结构设计规规范》的限值。

3 柱顶位移控制以及梁挠度

在本建筑工程中没有桥式吊车，因此可以采用《钢结构设计规规范》中无桥式吊车的单层框架柱顶位移H/150 的限值来进行柱顶位移的控制，但是从施工现场的实际情况出发，由于毛米仓距离厂房内钢柱太近，因此在进行柱顶位移控制时，取限值的H/180。经过计算后，可以知道本建筑工程由风荷载控制柱顶的位移。为了使柱顶的水平位移得到充分的满足，柱截面在增大时屋面的梁截面也要随之增大，这样就会很少使用到梁，同时还能够充分保证梁的挠度。