王建軍

(第九師聯(lián)拓勘測設計研究有限公司，新疆額敏　834601)

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議門式剛架輕型房屋設計中的幾個問題

王建軍

(第九師聯(lián)拓勘測設計研究有限公司，新疆額敏834601)

摘要:簡述了門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，結(jié)合相關規(guī)范，從雪荷載取值、風荷載體型系數(shù)取值、搖擺柱和伸縮縫的設置等方面，探討了門式剛架輕型房屋設計中的常見問題，并提出了優(yōu)化設計的建議，有利于保證房屋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及耐久性。

關鍵詞:門式剛架，房屋設計，風荷載，鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性

0　引言

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)以其自身所具備的諸多優(yōu)點，如節(jié)省鋼材、成本低、施工速度快、建設工期短、美觀、性能可靠等，在工程領域中得到了廣泛應用，其現(xiàn)已成為工業(yè)廠房、倉庫等建筑的首選的結(jié)構(gòu)形式，雖然是單層房屋，形式簡單，但在很多問題上不同的設計審圖人員對此有不同的見解或誤區(qū)，本文結(jié)合幾個門式剛架輕型房屋設計中常見的問題進行探討。

1　門式剛架計算

依據(jù)我國現(xiàn)行GB 50009—2012規(guī)范標準中相關規(guī)定要求，可按照本規(guī)范中給出的方法對50年重現(xiàn)期的雪壓進行確定，而對于雪荷載較為敏感的結(jié)構(gòu)，則應當采用100年重現(xiàn)期的雪壓。很多設計人員對此不加以區(qū)分只要是鋼結(jié)構(gòu)均按照百年重現(xiàn)期取雪荷載，他們認為輕鋼結(jié)構(gòu)太輕巧，肯定屬于對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)。但是忽略了一個問題:敏感與否固然與結(jié)構(gòu)形式有關，但跨度對敏感程度影響絕對更大，拋開跨度以結(jié)構(gòu)形式談這個問題肯定是不對的。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》7．1．2條文中對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)進行詳細說明，具體是指跨度大、質(zhì)量輕的屋蓋。對于這類結(jié)構(gòu)而言，通常都是以控制雪荷載為主，若是雪荷載超出一定范圍時，或是在極端雪荷載的作用下，會導致結(jié)構(gòu)被破壞，嚴重時可能會引起結(jié)構(gòu)垮塌。所以必須在設計時適當提高基本雪壓，因此，要采用100年重現(xiàn)期的雪壓。限定了“大跨度”才按100年重現(xiàn)期取值，那么多大的跨度對鋼結(jié)構(gòu)來說才算大跨度，查看GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范第3．1．3條條文說明對大跨度鋼結(jié)構(gòu)也做了論述，特指跨度不小于60 m的鋼結(jié)構(gòu)。故很多跨度只有十幾米甚至10 m以內(nèi)的門式剛架按100年取值就是不必要了。“輕鋼結(jié)構(gòu)雪載按100年重現(xiàn)期取值”作為設計加大承載儲備的目的和出發(fā)點是對的，但不是說輕鋼結(jié)構(gòu)的雪荷載就必須按100年重現(xiàn)期取值。

2　風荷載體型系數(shù)的選取

依據(jù)我國現(xiàn)行的CECS 102∶2002規(guī)程中的規(guī)定要求，“屋面坡度不大于10°、屋面平均高度不大于18 m、房屋高寬比不大于1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸”，這是風荷載體型系數(shù)規(guī)定的使用范圍。應當指出，18 m限值不是單層房屋的高度要求，而是風荷載體型系數(shù)的適用高度限值。對于高度超過了18 m，高寬比大于1的，均已超出低矮房屋風荷載體型系數(shù)的適用范圍，此時，風荷載體型系數(shù)應按現(xiàn)行國家標準GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定計算。對于敞開式房屋風荷載CECS 102上沒有規(guī)定，可參照規(guī)程管理組補充發(fā)表的對CECS 102的勘誤和補遺一文，或按照GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取包絡計算。

3　門式剛架的中柱的做法

我國現(xiàn)行的CECS 102∶2002規(guī)程中，對門式剛架的柱腳設計給出了明確規(guī)定，即采用門式剛架時，柱腳應當采用鉸接支撐。如果門式鋼架在有5 t以上橋式吊車的工業(yè)廠房中應用時，在對柱腳進行設計時，宜采用剛接的方式。部分設計人員認為，規(guī)程中用了“宜”采用，而不是應采用，換言之，在具體設計時，可以采用剛接，也可以不采用剛接或是采用鉸接，而實質(zhì)上這是一種錯誤的理解。在此需要特殊闡明的一點時，該規(guī)程中指明是柱腳連接，而并不是柱頂與斜梁之間的連接，但凡帶有吊車的柱頂與斜梁之間的連接均應當采用剛接的方式進行連接，若是廠房內(nèi)的吊車噸位較小，門式剛架結(jié)構(gòu)的柱腳可以采用鉸接的方式進行連接，但卻并未指明搖擺柱可以采用鉸接。由于搖擺柱是承受軸向力的構(gòu)件，其又被稱之為二力桿，當門式剛架結(jié)構(gòu)的廠房內(nèi)設有橋式吊車時，擱置吊車梁處會同時存在彎矩及吊車的橫向剎車力，而此時其將不再是只承受軸向力的構(gòu)件。鑒于此，在有橋式吊車的多跨門式剛架結(jié)構(gòu)內(nèi)，中柱不應該采用搖擺柱，因為使用搖擺柱會導致廠房的剛度降低，吊車行走時會出現(xiàn)晃動，容易引起安全事故。

4　門式剛架輕型結(jié)構(gòu)剛架梁平面內(nèi)的穩(wěn)定性驗算

GB 50018冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范第10．1．1條規(guī)定:“當剛架梁位于平面內(nèi)時，可按照壓彎構(gòu)件對其強度進行計算，而實腹式剛架梁則應當按照壓彎構(gòu)件對其在剛架平面外的穩(wěn)定性進行計算?！倍恍枰嬎闫湓趧偧芷矫鎯?nèi)的穩(wěn)定性。該條文說明指出:“剛架斜梁的主要作用是承受彎矩，并承受一定的軸力，作為壓彎構(gòu)件，它的軸力會隨著坡度的減小而減小(對于山形門式剛架，斜梁軸力沿梁長是逐漸改變的)，當屋面坡度不大于1∶2．5時，由于軸力很小，可僅按壓彎構(gòu)件計算其在平面內(nèi)的強度(此時軸壓力產(chǎn)生的應力一般不超過總應力的5%)，而不必驗算其在剛架平面內(nèi)的穩(wěn)定性”。CECS 102規(guī)定的屋面坡度宜取1/8～1/20，按此坡度，在豎向荷載作用下斜梁所受軸壓力更小，軸壓力產(chǎn)生的應力在總應力中所占比重更小，更是可僅按壓彎構(gòu)件計算其強度而不需計算其在剛架平面內(nèi)的穩(wěn)定性。

5　多層鋼結(jié)構(gòu)頂層采用門式剛架時的分析方法

依據(jù)我國現(xiàn)行的CECS 102∶2002規(guī)程中的規(guī)定，當多層建筑結(jié)構(gòu)最頂層采用門式剛架時，剛架的設計、制造以及安裝等應當參考本規(guī)程中的相關要求。同時，還應結(jié)合下部結(jié)構(gòu)的實際情況，充分考慮其對頂層柱底位移的影響。具體而言，多層鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑的頂層采用門式剛架時，要以CECS 102∶2002規(guī)程為參考依據(jù)，并且應當在設計的過程中將頂層與下部作為一個整體進行分析，從而確定在水平力作用下，下部結(jié)構(gòu)對頂層的不利影響。此外，按照以往同類工程的經(jīng)驗，在頂層屋蓋的設計中，應當設置縱向水平支撐，使其與橫向支撐構(gòu)成封閉體系，借此來增強頂層屋蓋的剛度。而頂層結(jié)構(gòu)的柱頂位移限值則宜適當嚴一些，至于“嚴”多少，宜根據(jù)房屋總高度、下部結(jié)構(gòu)的層數(shù)和剛度，綜合考慮。

6　門式剛架的伸縮縫設置

依據(jù)我國現(xiàn)行的CECS 102∶2002規(guī)程中的規(guī)定，采用門式剛架的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的溫度區(qū)段長度應符合以下要求:縱向溫度區(qū)段的長度不超過300 m;橫向溫度區(qū)段的長度不超過150 m。按照工程經(jīng)驗，對未設置橋式吊車的工業(yè)廠房，當整體長度不足180 m時，可忽略溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響，若是長度超過180 m但不足450 m，可以不設置伸縮縫。縱向構(gòu)件可以采用螺栓的方式進行連接，長度超過180 m但不足450 m時，伸縮縫可由縱向構(gòu)件的端部連接處的螺孔予以消除，在這一條件下，連續(xù)構(gòu)件的內(nèi)力變化基本不會對結(jié)構(gòu)的整體性造成不利影響。而GB 50017鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范第8．1．5條的規(guī)定一般認為是對重型鋼結(jié)構(gòu)而非輕鋼結(jié)構(gòu)而言，按照8．1．5條注1“廠房柱為其他材料時，應按相應規(guī)范的規(guī)定設置伸縮縫。圍護結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體情況參照有關規(guī)范單獨設置伸縮縫”。鑒于此，常規(guī)的門式剛架可以依據(jù)CECS 102∶2002規(guī)程中有關的規(guī)定要求進行設計。

7　檁條計算時考慮上翼緣的側(cè)向約束

輕鋼結(jié)構(gòu)建筑的圍護板按其連接構(gòu)造方式主要有三大類:第一類是普通帶肋壓型鋼板，由自攻釘直接固定在檁條和墻梁上，同時板與板的側(cè)邊搭接用縫合釘固定，具有很強的板平面內(nèi)的抗剪剛度和強度，一般情況下可以完全約束受其連接的檁條(墻梁)翼緣的側(cè)向彎扭變形，解決該翼緣的彎扭失穩(wěn)問題，單塊的壓型鋼板與檁條或墻梁共同組成整體屋面和墻面后，具有極好的蒙皮效應，使得以平面受力為特征的門式剛架具有很好的空間性能。它是三類板型中抗風能力最強的。第二類是帶彈性卡槽肋的壓型鋼板，由彈性卡槽扣合在固定支架上，由于壓型鋼板不直接與檁條固定，完全靠彈性卡槽扣合力來固定，而這種扣合力不可能有自攻釘?shù)倪B接那么強，因此它的蒙皮效應非常弱，不可能有效地約束檁條翼緣的側(cè)向彎扭變形解決檁條上翼緣的彎扭失穩(wěn)問題。第三類是卷邊咬合式屋面板，板與板之間及板與固定座的連接片之間采用180°～360°咬合方式固定，其中連接片在固定座中可自由滑動。

檁條設計時，如何考慮圍護板對檁條的側(cè)向約束值得重視。對于第一類板型，可以認為檁條上翼緣受到足夠的側(cè)向彎扭約束，不用計算上翼緣受壓時的穩(wěn)定;第二類板不可考慮對檁條上翼緣的側(cè)向彎扭約束，因檁條翼緣的側(cè)向彎扭帶動固定座有使屋面板脫出的危險;第三類板差異很大，要根據(jù)具體構(gòu)造分別考慮。

綜上所述，門式剛架設計時應根據(jù)具體工程具體分析，判斷其適用哪個規(guī)范規(guī)程，才能做出合格的設計。

參考文獻:

［1］陳友泉，魏潮文，蔡益燕．門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設計與施工疑難問題釋義［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

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

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

［4］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］．

［5］GB 50018—2002，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范［S］．

On problems in design for door-type steel support structure

Wang Jianjun
(No．9 Division Liantuo Survey，Design and Research Co．，Ltd，Emin 834601，China)

Abstract:The paper indicates the advantages of the door-type steel support structure，explores the common problems in the design for the support frame from snow load value，value of wind load frame coefficient，leaning column，and allocation of expansive joint combined with relevant specifi-cations，and points out the optimal design suggestions，so as to ensure the stability and durability of the housing structure．

Key words:door-type steel support，housing design，wind load，steel structure，stability

作者簡介:王建軍(1979-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-29

文章編號:1009-6825(2016)01-0060-03

中圖分類號:TU318

文獻標識碼:A