郭海利

摘 要：本文主要介紹了門式剛架鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不論是主結(jié)構(gòu)還是次結(jié)構(gòu)，荷載取值錯(cuò)誤、漏輸、錯(cuò)輸?shù)那闆r及對(duì)其結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響。

關(guān)鍵詞：門式剛架；荷載；設(shè)計(jì)

1 前言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)已逐步在工業(yè)廠房，商業(yè)大樓，民用住宅，大型場(chǎng)館等公共建筑中被廣泛應(yīng)用。輕型鋼結(jié)構(gòu)除具有普通鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)均勻，可靠性高；強(qiáng)度高，重量輕；塑性韌性，抗震性能好；便于機(jī)械化制造，施工期短；可回收，建筑造型美觀等特點(diǎn)以外，一般還具有取材方便，用料較省，自重更輕等特點(diǎn)。它對(duì)加快基本建設(shè)速度，特別對(duì)中小型企業(yè)的建設(shè)，以及對(duì)現(xiàn)有企業(yè)的挖潛、革新、改造等工作能夠起到顯著地作用，因而受到建設(shè)單位，尤其是在工業(yè)建筑中的普遍歡迎。由于輕型鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)很好，總造價(jià)較低，再加上結(jié)構(gòu)自重輕為改革重型結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造了條件。因此，輕型鋼結(jié)構(gòu)是很有發(fā)展前途的一種結(jié)構(gòu)形式。

在目前的工程實(shí)踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構(gòu)件，單跨剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎(chǔ)剛接或鉸接；維護(hù)結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃絲綿。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，按分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；承重構(gòu)件按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 門式剛架的適用范圍及特點(diǎn)

2.1 門式剛架適用范圍

門式剛架通常用于跨度9米～36米、柱距6米，柱高4.5米～12米，設(shè)有吊車起重量較小的單層工業(yè)房屋或公共建筑（超市、娛樂體育設(shè)施、車站候車室、碼頭建筑）。設(shè)置橋式吊車時(shí)，宜為起重量不大于20t的中、輕級(jí)工作制的吊車，設(shè)置懸掛吊車時(shí)，其起重量不宜大于3t。

2.2 輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)由主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)組成

主結(jié)構(gòu)包括橫向框架、縱向支撐及系桿，次結(jié)構(gòu)包括檁條、隅撐及屋墻面板。計(jì)算分析一般是將主次結(jié)構(gòu)組成的空間問題簡(jiǎn)化為二維平面問題，即橫向簡(jiǎn)化為平面剛架，縱向簡(jiǎn)化為屋面水平支撐和柱間支撐，檁條簡(jiǎn)化為單跨簡(jiǎn)支或多跨連續(xù)檁條，采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行。特點(diǎn)主要有：

（1）采用輕型屋面，可減小梁柱截面及基礎(chǔ)大小。

（2）在大跨建筑中增設(shè)中間柱做成一個(gè)屋脊的多跨大雙坡屋面，以避免內(nèi)天溝排水。中間柱可采用鋼管制作的上下鉸接搖擺柱，占空間小。

（3）剛架側(cè)向剛度可藉檁條和墻梁的隅撐保證，以減少縱向剛性構(gòu)件和減小翼緣寬度。

（4）跨度較大的剛架可采用改變腹板高度、厚度及翼緣寬度的變截面。

（5）剛架的腹板允許其部分失穩(wěn)，利用其屈曲后的強(qiáng)度，即按有效寬度設(shè)計(jì)，可減小腹板厚度，不設(shè)或少設(shè)橫向加勁肋。

（6）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。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時(shí)，風(fēng)荷載的作用不應(yīng)忽視。

（7）為使非地震區(qū)支撐做得輕便，可采用張緊的圓鋼。

（8）構(gòu)件可全部在工廠制作，工業(yè)化程度高。構(gòu)件單元可根據(jù)運(yùn)輸條件劃分，單元之間在現(xiàn)場(chǎng)用螺栓連接，安裝方便快速，土建施工量小。

3 永久荷載取值問題

對(duì)于門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)而言，永久荷載包括屋墻面板、通風(fēng)器、檁條、支撐系桿、剛架梁柱及連接等構(gòu)配件的自重。常見永久載取值問題：

（1）永久荷載漏算或取值偏小。少算或漏算建筑已確定的構(gòu)件自重、吊頂荷載或懸掛荷載，這將導(dǎo)致豎向永久、可變荷載控制設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力及變形偏小。

（2）計(jì)算中漏算剛架自重。如鋼結(jié)構(gòu)在采用STS計(jì)算剛架時(shí)，計(jì)算總信息顯示“梁柱自重計(jì)算信息IA”為0，即程序設(shè)定不算自重。一般剛架計(jì)算自重參數(shù)必須填寫正確。

（3）屋面板或墻面板荷載取值偏小或漏算。如剛架工程采用夾芯雙層壓型鋼板，計(jì)算卻按單層板重量采用；墻梁計(jì)算中一側(cè)墻板重量未計(jì)入，少算了墻板總重對(duì)墻梁弱軸所引起的效應(yīng)。

（4）漏算縱向構(gòu)件傳至橫向剛架的荷載，如抽柱設(shè)置托梁處漏算或少算托梁傳來的荷載；未計(jì)入屋面通風(fēng)器自重荷載。

（5）永久荷載受荷寬度取值偏小，致使剛架或檁條每延米恒載偏小。

（6）漏算少算懸掛荷載，CECS102第3.2.1條規(guī)定“懸掛荷載應(yīng)按實(shí)際情況取用”，如對(duì)展廳、超市或廠房內(nèi)可能在屋面小懸掛設(shè)備、管道或吊頂。

4 可變荷載取值問題

對(duì)輕型門式剛架而言，一般可變荷載包括屋面可變荷載、屋面積灰荷載及施工或檢修荷載。

屋面剛架荷載取值較大和屋面檁條荷載取值偏小?！堕T式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）（2012年版）中第3.2.2條附注“對(duì)受荷水平投影面積大于60 m2的剛架結(jié)構(gòu)，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3kN/m2?！边@是針對(duì)剛架計(jì)算的。部分工程在計(jì)算檁條時(shí)，本應(yīng)按0.5kN/m2取值，卻取上述僅適用剛架的0.3 kN/m2。一個(gè)特殊的情況是，若存在兩個(gè)或兩個(gè)以上可變荷載并計(jì)入荷載組合系數(shù)參與組合時(shí)，即使屋面投影面積大于60m2，屋面活載仍應(yīng)取0.5kN/m2，其依據(jù)是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中第3.2.1條注：“對(duì)支承輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)（檁條、屋架、框架等），當(dāng)僅有一個(gè)可變荷載且受荷水平投影面積超過60 m2時(shí)，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取0.3kN/m2”。

案例分析：精粉儲(chǔ)存大棚，見右圖，結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨門式剛架結(jié)構(gòu)，跨度21米，柱距7.5米，剛架的計(jì)算面積為右圖中陰影部分，面積為7.5×7×6=315 m2≥60 m2，根據(jù)規(guī)范要求計(jì)算GJ屋面均布活荷載取0.3 kN/m2。屋面均布活荷載：當(dāng)采用0.5 kN/m2時(shí)，每榀GJ的用鋼量為4062.1kg，當(dāng)采用0.3kN/m2時(shí)，每榀GJ的用鋼量為3534.6kg。從計(jì)算結(jié)果可以看出每榀GJ相差4062.1-3534.6=527.5 kg。

5 風(fēng)荷載取值問題

門式剛架自重輕，對(duì)風(fēng)荷載非常敏感，在風(fēng)吸力作用下往往會(huì)發(fā)生荷載效應(yīng)反向的情況，在基本風(fēng)壓較大的地區(qū)一般是由風(fēng)荷載工況控制設(shè)計(jì)的。若風(fēng)荷載取值偏小，類似于前述恒載取值偏大的情況（恒-1.4風(fēng)）組合效應(yīng)減小，會(huì)使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實(shí)際變形和內(nèi)力大于計(jì)算值，原本構(gòu)件或板件應(yīng)出現(xiàn)較不利的受壓穩(wěn)定問題變成受拉強(qiáng)度問題。基本風(fēng)壓W0按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009的規(guī)定值乘以1.05采用；當(dāng)按以上方法計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，橫向剛架兩側(cè)墻面風(fēng)壓體型系數(shù)的代數(shù)和不宜小于1.2（不論是否分區(qū)、是否封閉）。

5.1 體型系數(shù)取值

根據(jù)CECS102第A.0.2條規(guī)定，門式剛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時(shí)，應(yīng)按CECS102附錄表A的體型系數(shù)取用。

剛架計(jì)算未區(qū)分端區(qū)和中間區(qū)不同的體型系數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算未區(qū)分邊緣帶、中間區(qū)及角部不同的體型系數(shù)，均采用體型系數(shù)較小的中間區(qū)，導(dǎo)致位于端區(qū)邊緣帶、角部構(gòu)件不安全。

5.2 風(fēng)荷載控制時(shí)，恒載取值偏大

門式剛架結(jié)構(gòu)自重一般較輕，單層屋面壓型鋼板及檁條自重僅為0.1～0.15kN/m2，而作用方向相反的屋面基本風(fēng)壓按荷載規(guī)范要求至少達(dá)0.3 kN/m2，故在（恒-1.4風(fēng)）工況組合下其荷載效應(yīng)一般小于0，即構(gòu)件下翼緣產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于風(fēng)荷載參與組合下屋面構(gòu)件自重對(duì)結(jié)構(gòu)有利的，故恒載取值偏大較多時(shí)會(huì)使（恒-1.4風(fēng)）組合效應(yīng)減少，下翼緣壓應(yīng)力減少，甚至使下翼緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，掩蓋了檁條實(shí)際存在的下翼緣受壓穩(wěn)定問題。

6 結(jié)束語

目前，鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件功能越來越全，智能化程度越來越高，比如PKPM-STS可以人工空間建模、自動(dòng)平面計(jì)算，甚至可以做到根據(jù)輸入的原始參數(shù)自動(dòng)選擇截面。因此，在輕型門式剛架設(shè)計(jì)將空間問題簡(jiǎn)化為平面問題過程中，應(yīng)重視永久荷載、可變荷載、風(fēng)雪荷載及吊車荷載的取值大小、受荷面積及作用方向，同時(shí)應(yīng)正確理解規(guī)范和規(guī)程中關(guān)于荷載方面各條款的編制背景，以便在設(shè)計(jì)中正確應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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