陳光明，楊 科

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系是近年來在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。該類建筑是用等截面或變截面焊接H型鋼作為梁柱構(gòu)件，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼裝形成門式剛架作為主要承重結(jié)構(gòu)，以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱，以彩鋼板作為屋面板及墻板，再配以支撐系統(tǒng)、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系，即門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系可以在工廠批量生產(chǎn)，在現(xiàn)場按要求拼裝形成。能有效的利用材料，構(gòu)件截面小、自重輕、抗震性能好，施工安裝方便，建設(shè)周期短。能夠形成大空間、大跨度，具有外表美觀、適應(yīng)性強、造價低、易維護等特點。

本文以溪洛渡水電站機電倉庫為例，從設(shè)計角度對輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程及要點進行闡述，分析總結(jié)了單層門式剛架廠房的一些設(shè)計經(jīng)驗和注意事項,并提出自己的看法，希望能供同行們在處理類似問題時參考。

2 工程概況

溪洛渡水電站機電倉庫，位于溪洛渡電站右岸，其結(jié)構(gòu)長度168m、寬72m，柱距6m、柱高10.5m，單跨24m，三連跨雙坡屋面，坡度1∶20;倉庫內(nèi)每跨布置1臺16T的橋式起重機，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，第一組，合理使用年限為50年。

3 結(jié)構(gòu)方案布置

3.1 柱網(wǎng)和軸線布置

柱網(wǎng)布置與投資費用直接關(guān)系，若合理布置柱網(wǎng)，將會獲得較好的經(jīng)濟效益。根據(jù)已有的工程實例，隨著柱距的增大，剛架用鋼量比例是逐步下降的；但當(dāng)柱距增大到一定的數(shù)值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大其下降的幅度較為平緩。而其他如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大先下降而后上升。一般情況下，最佳柱距是6～9m，如果柱距大于9m，屋面檁條和墻架體系的用鋼量將明顯增多，從而加大成本。考慮到本工程有較大的吊車荷載，因此，在設(shè)計時取用較小的經(jīng)濟柱距為6m。工程平面布置見圖1。

3.2 剛架的形式和受力特點

剛架的梁、柱截面有實腹式與格構(gòu)式、變截面與等截面之分。梁跨度較大時，宜在梁柱節(jié)點和彎矩較大處加腋，加腋長度一般為跨度的1/8～1/10較為經(jīng)濟。一般情況下，梁、柱采用變截面形式，但本工程倉庫內(nèi)布置有吊車，柱則采用實腹式等截面工字型，梁采用變截面，如圖2所示。

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，設(shè)計中可采用三鉸門式剛架、兩鉸門式剛架和無鉸門式剛架，各具特點。三鉸剛架即柱腳、屋脊均為鉸接，剛度較差，結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，變形及不均勻沉降均不產(chǎn)生附加內(nèi)力，適用于小跨度和基礎(chǔ)性能差的工程建筑；兩鉸剛架即柱腳與基礎(chǔ)鉸接，結(jié)構(gòu)內(nèi)力大于無鉸剛架，但基礎(chǔ)不承受彎矩，設(shè)計、施工簡單，柱腳不均勻沉降會產(chǎn)生附加內(nèi)力；無鉸剛架即柱腳與基礎(chǔ)固接，三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度好，內(nèi)力分布均勻，柱底有彎矩，對地基與基礎(chǔ)要求高，地基不均勻沉降會產(chǎn)生附加內(nèi)力。門式剛架的柱腳多按鉸接支承設(shè)計，通常為平板支座，設(shè)一對或兩對地腳螺栓；當(dāng)用于工業(yè)廠房且有5t 以上橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計成剛接。因本工程中布置了16T橋式吊車，且地質(zhì)條件較好，故柱腳按剛接設(shè)計。

圖1 柱網(wǎng)平面布置示意

圖2 剛架的梁、柱截面布置示意

4 計算模型與內(nèi)力分析

4.1 計算模型

對于大多數(shù)廠房而言，由于其長寬比較大，結(jié)構(gòu)最不利方向比較明顯，且橫向主剛架采用剛接，縱向采用剛性系桿等構(gòu)件鉸接連接，通過設(shè)置支撐來形成幾何不變體系， 所以多采用二維平面結(jié)構(gòu)計算模型進行分析； 而對于一些長寬比較小的廠房，如果縱向采用支撐桁架來連接，剛架兩個方向剛度相差不大， 此時結(jié)構(gòu)形式已接近框架結(jié)構(gòu)，則應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型進行分析計算。本工程長寬比達到了2.3，且縱向連接較弱，故采用二維平面結(jié)構(gòu)計算模型，整個計算通過中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的PKPM軟件STS模塊完成，計算模型如圖3所示。

4.2 永久荷載

永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等；還包括懸掛的附加永久物體重量，如噴淋系統(tǒng)、機械設(shè)備、通風(fēng)管道等。設(shè)計時需充分分析考慮而不可遺漏。

圖3 二維平面結(jié)構(gòu)計算模型

4.3 可變荷載

4.3.1 屋面活荷載

按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)采用壓型鋼板的輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計算)應(yīng)取0.5kN/m2(如檁條等構(gòu)件的設(shè)計)，但對受荷水平投影面積大于60m2的主剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3 kN/m2。本工程活荷載取0.3 kN/m2。

4.3.2 風(fēng)荷載

按照《民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施(結(jié)構(gòu))》(2003版)，對于跨高比L/h小于等于4的門式剛架應(yīng)按GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK及風(fēng)荷載體形系數(shù)μs， 不考慮風(fēng)振系數(shù)βz，但當(dāng)跨高比L/h大于4 的門式剛架及房屋所有圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK宜按CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》取用。本工程跨高比為2.28，小于4，故按荷載規(guī)范的公式：WK=βzμsμzWo，在確定本工程基本風(fēng)壓Wo時，考慮到工程所在地的基本風(fēng)壓值在GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》全國基本風(fēng)壓圖上沒有給出，于是根據(jù)當(dāng)?shù)啬曜畲箫L(fēng)速25m/s，并依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》條文解釋7.1.2中公式Wo=Vo2/1 600計算;得到Wo=0.4kN/m2。與荷載規(guī)范中雷波的基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2(n=50年)比較,再考慮建筑物地處河谷地段，風(fēng)速較大，確定根據(jù)計算取基本風(fēng)壓0.4 kN/m2。

4.4 地震作用

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.2.5條，風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮。由于單層門式剛架質(zhì)量較輕，地震反應(yīng)較小，在不大于7度區(qū)的地方，廠房的整體計算通常由風(fēng)、雪、活荷載控制，因此在這些地方，一般不需作剛架的抗震驗算,但本工程抗震設(shè)防烈度為8度，地震卻是控制因素，風(fēng)荷載與地震荷載引起的節(jié)點位移比較見圖4、5所示。

4.5 變形驗算

相對于強度驗算，單層門式剛架廠房的變形驗算往往容易忽視。剛架的變形驗算時應(yīng)注意,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可不考慮螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面計算。剛架的變形驗算主要包括剛架柱頂位移和剛架梁的撓度驗算兩個方面，具體要求見表 1。本工程控制性工況變形驗算結(jié)果如圖5、6所示。其柱頂最大位移25.3mm，梁最大擾度92.8mm,均滿足規(guī)范要求。

表1 剛架變形驗算的具體要求

注：表中h為剛架柱高度，L為剛架梁的跨度。

圖4 左風(fēng)(標(biāo)準(zhǔn)值)節(jié)點位移(mm)

圖5 左地震作用節(jié)點位移(標(biāo)準(zhǔn)值)(mm)

圖6 鋼梁絕對撓度(恒+活)(mm)

5 支撐體系的布置

本工程長度達到了168m，屬于溫度區(qū)段較長型，且布置有吊車，按照CECS102：2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中支撐布置原則，通過設(shè)置橫向支撐和柱間支撐將整個結(jié)構(gòu)劃分為三個區(qū)段，每個區(qū)段的長度大約在48～54m之間，端部支撐設(shè)在第二個開間，在第一個開間的相應(yīng)位置設(shè)置剛性系桿，以使風(fēng)荷載得到傳遞，在設(shè)置柱間支撐的開間,同時設(shè)置屋蓋橫向支撐,以構(gòu)成幾何不變體系。

本工程高度達到了10.5m，屬于房屋高度較高型,故柱間支撐分層設(shè)置，且分層位置與牛腿位置相結(jié)合。本工程房屋寬度達到了72 m ,整體剛度較弱，在設(shè)計時考慮在內(nèi)柱列也設(shè)置支撐。同時為加強房屋支撐體系的整體性能，在剛架的轉(zhuǎn)折處、邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂均沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。本工程的剛性系桿均采用組合角鋼，支撐則采用型鋼，以提高房屋的整體抗震性；支撐的設(shè)置角度控制在30°～60°范圍內(nèi)，接近45°。

6 梁柱節(jié)點設(shè)計

門式剛架梁柱節(jié)點通常作為剛接節(jié)點進行計算和設(shè)計，梁柱連接和拼接節(jié)點采用高強螺栓的端板連接節(jié)點，實踐證明，端板連接是最為經(jīng)濟的連接形式，比通常的腹板-翼緣拼接節(jié)省材料和緊固件，且現(xiàn)場拼接連接方便。端板的放置方式通常有3種形式：豎放、平放和斜放。本工程采用端板豎放的形式，保證端板的連接螺栓大多分布于翼緣的兩側(cè)，既能充分利用螺栓的承載能力，又能減少螺栓的用量。在節(jié)點區(qū)域還設(shè)置了抗剪加勁肋，以減小節(jié)點的剪切變形，起到增大節(jié)點剛度的作用。

7 檁條設(shè)計

檁條采用冷彎薄壁型鋼, 由于其自由扭轉(zhuǎn)剛度小, 而且大多數(shù)截面剪心與形心不重合, 構(gòu)件中會存在彎曲與扭轉(zhuǎn)的共同作用，彎扭屈曲是其常見的破壞形式, 必須在設(shè)計中予以防止。除了采用更好的截面形式雙軸對稱、閉合構(gòu)件外, 常見的構(gòu)造措施還有增加支座和跨中處的側(cè)向支承。根據(jù)計算，本工程檁條采用C160×60×2×2.5,檁條間距1.5m，為方便連接，檁條按簡支構(gòu)件設(shè)計；為防止構(gòu)件扭轉(zhuǎn)變形，構(gòu)造上設(shè)檁托、加勁肋、撐桿、隅撐等。另外, 筆者認(rèn)為在計算檁條時，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk按CECS102:2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定計算更能符合實際；為避免造成施工中的不便，本工程未采用雙層拉條，而是采用通過驗算檁條在風(fēng)吸力組合作用下下翼緣受壓時的穩(wěn)定。

8 結(jié)束語

單層門式剛架廠房的應(yīng)用日益廣泛，設(shè)計經(jīng)驗的分析總結(jié)是過去的終點，同時也是今天的起點。本文簡單論述了門式剛架設(shè)計中一些需要注意的問題，以求做到設(shè)計技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用，確保質(zhì)量。

[1] 邱喜佳.門式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中幾個值得注意問題的探討[J].四川建材，2007(1).

[2] 蘭英.淺談輕型門式剛架結(jié)構(gòu)[J].山西建筑，2008(29).

[3] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)[R].2002.