唐鷺 董君 陳海鵬

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川成都 610041)

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代初期，由于柱網(wǎng)布置靈活，最大跨度可做到70 m，可用于大空間建筑體，但是科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的跨度為9 m～36 m，因此門式剛架常用于體育館、展覽廳、車庫、工業(yè)廠房、倉庫等。由于它具有質(zhì)量輕、施工方便且施工周期短等特點(diǎn)，因此在近十多年來得到了迅速的發(fā)展，目前國內(nèi)有大量的鋼結(jié)構(gòu)工程正在開展。

1 輕型門式剛架結(jié)構(gòu)形式

輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是梁、柱構(gòu)件單元的組合體，其形式種類多樣，在單層工業(yè)和民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的是單跨、雙跨或多跨的單雙坡形門式剛架。按構(gòu)件體系分，有實(shí)腹式與格構(gòu)式;按截面形式分，有等截面和變截面。實(shí)腹式剛架的截面一般為工字形，格構(gòu)式剛架的截面通常為矩形或三角形。

單層門式剛架主要是以焊接H形鋼(等截面或變截面)或熱軋H形鋼(等截面)或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼(C，Z，H形等)做檁條與墻梁;采用壓型金屬板做屋面和墻面，并在屋面梁之間、柱之間設(shè)置支撐的一種結(jié)構(gòu)體系。

2 輕型門式剛架設(shè)計(jì)

2．1 建筑結(jié)構(gòu)平面布置

通過大量的工程實(shí)踐，并綜合各種因素總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)成果:輕型門式剛架的跨度宜為9 m～36 m，通常以3 m為模數(shù);房屋高度，無吊車時一般為4．5 m～9 m，有吊車時常為9 m～12 m;房屋坡度宜取1/8～1/20，在雨水較多地區(qū)可取較大值;門式剛架間距，即柱網(wǎng)軸線縱方向的距離宜為6m，亦可采用7．5m或9m，最大可采用12m，當(dāng)跨度較小時可采用4．5m;當(dāng)門式剛架房屋縱向長度超過300 m或橫向長度超過150 m時應(yīng)設(shè)置伸縮縫。

2．2 荷載及其組合

輕型門式剛架房屋作用的荷載主要有重力荷載、可變荷載、地震作用。重力荷載主要為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重及懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載;可變荷載包括屋面活荷載、雪荷載、積灰荷載、吊車荷載、風(fēng)荷載等;屋面活荷載包括屋面均布活載、施工或檢修集中荷載、積灰荷載、雪荷載等。

當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0．5 kN/m2，當(dāng)受荷水平投影面積大于60 m2剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載可取不小于0．3 kN/m2［1］。

荷載組合應(yīng)遵從GB 50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，針對門式剛架的特點(diǎn)，CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程給出下列組合原則［1］:

1)屋面均布活載不與雪荷載同時考慮，取兩者中較大值;2)積灰荷載與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮;3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮;4)風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮;5)對一層吊車的單跨廠房，參與組合的吊車臺數(shù)不宜多于2臺，對一層吊車的多跨廠房，參與組合的吊車臺數(shù)不宜多于4臺［2］。

豎向荷載通常是設(shè)計(jì)的控制荷載，地震作用一般不起控制作用。當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋高度較高時，風(fēng)荷載的作用不應(yīng)忽視。

2．3 剛架內(nèi)力和側(cè)移計(jì)算

2．3．1 內(nèi)力計(jì)算

變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力。僅在構(gòu)件全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)力分析可按一般結(jié)構(gòu)力學(xué)方法或利用靜力計(jì)算公式，通常采用有限元法(直接剛度法)計(jì)算，地震作用效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。

根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面?？刂平孛娴膬?nèi)力組合主要有:

1)最大軸壓力Nmax和同時出現(xiàn)的M及V的較大值;2)最大彎矩Mmax和同時出現(xiàn)的N及V的較大值;3)最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V。

需要注意的是，前兩種組合有可能重合;此外其組合是針對截面雙軸對稱構(gòu)件而言，當(dāng)構(gòu)件為單軸對稱時，須考慮彎矩的正、負(fù)。組合3)是考慮到輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系較輕，當(dāng)僅考慮永久荷載和風(fēng)荷載共同作用時，在強(qiáng)風(fēng)作用下，柱腳可能受到上拔力的作用。

2．3．2 側(cè)移計(jì)算

變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定，計(jì)算時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施進(jìn)行調(diào)整:放大柱或(和)梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳。

2．4 剛架梁和柱的設(shè)計(jì)

剛架梁和柱常采用Q235B或Q345A及以上等級的鋼材。格構(gòu)式剛架梁截面高度可取跨度的1/15～1/25，實(shí)腹式剛架梁則采用跨度的1/30～1/45。門式剛架橫梁與柱為剛性連接;柱與基礎(chǔ)主要為鉸接和固結(jié)，鉸接一般用于無吊車或橋式吊車小于5 t的廠房、倉庫等，當(dāng)設(shè)有大于5 t橋式吊車、檐口高度較高或剛度要求較高時應(yīng)采用固結(jié)。

剛架梁、柱截面確定后，在荷載作用下，梁和柱的計(jì)算長度對其應(yīng)力影響很大。梁、柱平面內(nèi)的計(jì)算長度可采取調(diào)整其截面大小來滿足要求。為了減小剛架梁平面外的計(jì)算長度，通常在剛架梁之間設(shè)置水平支撐和隅撐等構(gòu)造措施;同樣可以在剛架柱之間設(shè)置剛性系桿和柱間支撐來控制。根據(jù)門式剛架所受彎矩的特點(diǎn)可知，剛架梁兩端的梁下翼緣受壓，柱端內(nèi)翼緣受壓，因此在距梁兩端3m的檁條處設(shè)隅撐，當(dāng)剛架梁跨度L≥24m時，在距梁兩端6 m的檁條處均布兩道隅撐。角隅撐通常設(shè)置在剛架柱頂端1/3柱高的內(nèi)側(cè)部分，保證了柱的局部穩(wěn)定性。

2．5 檁條設(shè)計(jì)

檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時應(yīng)沿截面兩個形心主軸方向計(jì)算彎矩，設(shè)計(jì)時，應(yīng)對檁條進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、整體穩(wěn)定計(jì)算、變形計(jì)算。格構(gòu)式檁條加工復(fù)雜，施工難度大，并且不美觀，因此一般采用實(shí)腹式，但是當(dāng)跨度大于9 m時宜采用格構(gòu)式檁條。實(shí)腹式檁條有C形，Z形，H形等，采用的是冷彎薄壁型鋼，與同樣面積的熱軋型鋼相比，它的回轉(zhuǎn)半徑可增大80%，慣性矩和面積矩可增大50%～180%。在檁條之間通常設(shè)置拉條或撐桿，不僅可以提高屋面剛度，還可以減小檁條平面外計(jì)算長度，當(dāng)檁條跨度大于4 m時，宜在檁條間跨中設(shè)置拉條或撐桿，當(dāng)跨度大于6 m時，應(yīng)在檁條跨度三分點(diǎn)處各設(shè)一道拉條或撐桿。

2．6 支撐設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)是構(gòu)成輕型門式剛架結(jié)構(gòu)縱向體系的主要構(gòu)件，是保證其他構(gòu)件(梁、柱、檁條等)弱軸穩(wěn)定的基礎(chǔ)。支撐主要設(shè)置在剛架梁之間，柱之間，檁條之間，屋面剛梁支撐與柱間支撐應(yīng)形成封閉，使剛架結(jié)構(gòu)成為空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。檁條支撐2．4節(jié)已描述。

屋面支撐受力相對較小，桿件截面通?？砂慈菰S長細(xì)比選擇。交叉斜桿和柔性細(xì)桿按拉桿設(shè)計(jì)，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當(dāng)屋架跨度較大、房屋較高且風(fēng)壓較大時，桿件截面應(yīng)按桁架體系計(jì)算出的內(nèi)力確定。計(jì)算支撐桿件內(nèi)力時，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

柱間支撐分為上層支撐和下層支撐，它可以保證房屋的縱方向穩(wěn)定性和空間剛度，承受縱方向水平力(風(fēng)載、吊車縱向剎車荷載、溫度應(yīng)力和地震作用)，并將上述荷載傳至基礎(chǔ)。上層支撐計(jì)算時，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應(yīng)力，支撐腹桿按柔性拉桿計(jì)算。交叉體系的下層支撐當(dāng)?shù)踯囕^小時一般用圓鋼，較大時以及考慮抗震時應(yīng)采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當(dāng)?shù)踯囕^大時，交叉斜桿應(yīng)按拉桿設(shè)計(jì)。

2．7 柱腳設(shè)計(jì)

輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)的柱腳，宜采用平板式鉸接柱腳。當(dāng)有必要時，也可采用剛接柱腳。柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平力，此水平力應(yīng)由底板與混凝土之間的摩擦力或設(shè)置抗剪鍵來承受。當(dāng)埋置深度受限制時，錨栓應(yīng)牢固地固定在錨板或錨梁上，以傳遞全部拉力。柱腳錨栓應(yīng)采用Q235鋼或Q345鋼材。

3 輕型門式剛架在工程中的應(yīng)用

輕型門式剛架在天然氣凈化廠及天然氣壓氣站場中應(yīng)用非常廣泛，常用于壓縮機(jī)廠房、鍋爐房、庫房、閥門檢測間等。某工程中的壓縮機(jī)廠房均采用的是輕型門式剛架，某壓縮機(jī)廠房總長為54 m，跨度為27 m，高度13 m，橋式吊車起吊重量為16 t，采用STS計(jì)算后，根據(jù)剛架所受的彎矩特點(diǎn)，梁、柱采用了變截面，相對于等截面節(jié)約了近8 t鋼材;檁條及墻梁采用的是薄壁C形鋼。整個設(shè)計(jì)及施工過程周期都比較短、剛架安裝便捷，并且施工簡單，該廠房目前已投入使用。

4 結(jié)語

在輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過對設(shè)計(jì)要點(diǎn)和重點(diǎn)的把握使設(shè)計(jì)過程程序化、簡單化;根據(jù)不同的使用功能及受荷特點(diǎn)有針對性的采用門式剛架結(jié)構(gòu)形式，科學(xué)合理的采用相對應(yīng)的各類構(gòu)件。由于門式剛架具有工業(yè)化程度高、節(jié)能環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，它將更多的應(yīng)用到國家未來的建設(shè)中。

［1］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．