賈 雪 亮

(山西潤民環(huán)保工程設(shè)備有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

門式剛架由于結(jié)構(gòu)體型簡單、現(xiàn)場施工組裝方便、建設(shè)周期短，是單層工業(yè)廠房中常用的一種結(jié)構(gòu)形式。在工業(yè)生產(chǎn)廠房中，某些設(shè)備體型差別較大，當(dāng)遇到不同設(shè)備高度差別較大時(shí)，若統(tǒng)一按高度較大的設(shè)備確定廠房高度，則存在一定程度上的空間浪費(fèi)。若按不同高度設(shè)備合理優(yōu)化布置，通過采用帶毗屋門式剛架的結(jié)構(gòu)形式，主要設(shè)備和輔助設(shè)備分別布置于廠房主剛架和毗屋剛架區(qū)域，則總體上可達(dá)到節(jié)省空間，降低造價(jià)的效果。

1 結(jié)構(gòu)布置

對(duì)于房屋高度不大于18 m，高寬比小于1，無吊車或吊車起重量較小的門式剛架單層鋼結(jié)構(gòu)房屋，GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(以下簡稱《門規(guī)》)第5.1.2條中給出了常用門式剛架形式的示例，其中《門規(guī)》圖5.1.2(e)(如圖1所示)為帶毗屋剛架示例圖，圖1中主剛架和毗屋剛架均為單坡。實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)遇主剛架跨度較大時(shí)，為避免剛架兩端梁柱受力偏差過大，主剛架宜按雙坡設(shè)計(jì)，示例見圖2。

縱向柱間支撐布置時(shí)按《門規(guī)》8.2.5條規(guī)定執(zhí)行，為保證水平作用力更直接有效傳遞，毗屋剛架可設(shè)單層柱間支撐，在檐口處設(shè)柱間水平剛性系桿；主剛架可設(shè)為雙層柱間支撐，水平剛性系桿分別設(shè)置在毗屋檐口標(biāo)高處和主剛架檐口標(biāo)高處，示例見圖3。

2 荷載取值

2.1 永久荷載

門式剛架承重結(jié)構(gòu)采用等截面或變截面實(shí)腹剛架，圍護(hù)系統(tǒng)多采用輕型鋼屋面和輕型外墻加檁條、墻梁體系。一般綜合考慮板材及檁條自重后荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值約為0.20 kN/m2～0.30 kN/m2，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體使用材料類別、型號(hào)按實(shí)際計(jì)算。

2.2 屋面活荷載

《門規(guī)》4.1.3條規(guī)定：當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面按水平投影面積計(jì)算的豎向活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取0.5 kN/m2，對(duì)承受荷載水平投影面積大于60 m2的剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可不小于0.3 kN/m2。為避免屋面活荷載在60 m2這個(gè)面積分界線上下出現(xiàn)突變，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，建議可在60 m2～100 m2受力面積區(qū)間設(shè)置荷載過渡區(qū)段，屋面活荷載取值按60 m2～100 m2受力面積分別對(duì)應(yīng)荷載0.5 kN/m2～0.3 kN/m2進(jìn)行插值計(jì)算。另外，按承受荷載水平投影面積確定屋面活荷載取值時(shí)，主剛架不應(yīng)考慮毗屋剛架所“貢獻(xiàn)”的面積。在進(jìn)行屋面活荷載取值時(shí)建議分別按主剛架和毗屋剛架各自承受的荷載水平投影面積考慮。

2.3 風(fēng)荷載

《門規(guī)》4.2節(jié)中列出了風(fēng)荷載的計(jì)算公式及方法，但沒有給出帶毗屋門式剛架風(fēng)荷載系數(shù)的取值，從《門規(guī)》4.2.2條規(guī)定的“房屋高度不大于18 m，房屋高寬比小于1”適用范圍條件以及該條條文說明的理解上來看，當(dāng)主剛架高度及高寬比在此范圍時(shí)，主剛架和毗屋剛架風(fēng)荷載系數(shù)可分別參照《門規(guī)》4.2節(jié)雙坡屋面和單坡屋面所對(duì)應(yīng)的系數(shù)來取值。在計(jì)算時(shí)，尚應(yīng)注意區(qū)別端區(qū)和中間區(qū)風(fēng)荷載系數(shù)取值，以及區(qū)別主剛架和檁條、墻梁所承受的風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)《門規(guī)》4.2.1式中β值(主剛架1.1，檁條、墻梁1.5)。

2.4 雪荷載

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)屋面較輕，對(duì)雪荷載敏感，在計(jì)算時(shí)雪荷載經(jīng)常起控制作用，極端雪荷載情況下容易引起結(jié)構(gòu)整體破壞?！堕T規(guī)》4.3.1條規(guī)定基本雪壓按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的100年重現(xiàn)期的雪壓采用。另外，對(duì)于帶毗屋門式剛架，當(dāng)高低屋面的高差hr與按屋面基本雪壓確定的雪荷載高度hb滿足《門規(guī)》4.3.3條(hr-hb)/hb>0.2的規(guī)定時(shí)，則需考慮雪堆積和漂移荷載。另外，還應(yīng)按《門規(guī)》4.3.5條的規(guī)定在計(jì)算屋面板、檁條、鋼架斜梁以及鋼架柱時(shí)采用相應(yīng)的積雪分布情況。

2.5 地震作用

帶毗屋門式剛架由于在橫向?qū)儆谫|(zhì)量和剛度分布不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以除應(yīng)按房屋兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算地震作用外，還應(yīng)整體建立模型計(jì)算雙向水平地震作用并計(jì)入扭轉(zhuǎn)的影響。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 荷載組合及分項(xiàng)系數(shù)

在進(jìn)行剛架計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意按《門規(guī)》4.5.1條第1款規(guī)定將不同時(shí)考慮的荷載在建模計(jì)算時(shí)設(shè)定為互斥荷載，之后分別計(jì)算其效應(yīng)后取不利值；同時(shí)將需要同時(shí)考慮的荷載在建模計(jì)算時(shí)設(shè)定為相容荷載，計(jì)算疊加荷載效應(yīng)。計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意檢查荷載組合是否合理，避免荷載組合不正確造成計(jì)算偏差。

《門規(guī)》4.5.2～4.5.5對(duì)持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況下的基本組合效應(yīng)設(shè)計(jì)作出了規(guī)定，該條是根據(jù)GB 50009工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱《可靠性標(biāo)準(zhǔn)》)制定。2018年版《可靠性標(biāo)準(zhǔn)》8.2.9條對(duì)荷載基本組合的分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了更新。在帶毗屋門式剛架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，荷載基本組合分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)按新版《可靠性標(biāo)準(zhǔn)》來取值。

3.2 剛架計(jì)算

根據(jù)《門規(guī)》6.1節(jié)的相關(guān)規(guī)定，帶毗屋輕型門式剛架應(yīng)采用彈性分析方法計(jì)算，可按平面結(jié)構(gòu)分析計(jì)算內(nèi)力。當(dāng)采用二階彈性分析時(shí)，除按實(shí)際工況布置荷載外，還應(yīng)施加假想水平荷載。對(duì)于帶毗屋門式剛架則應(yīng)在主剛架、毗屋剛架檐口位置和毗屋剛架梁和主剛架柱連接處施加該水平荷載，且應(yīng)注意該假想荷載方向應(yīng)與風(fēng)荷載和地震作用的方向一致。

當(dāng)按平面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析橫向剛架時(shí)，應(yīng)特別注意按實(shí)際情況考慮梁、柱平面外支撐或者約束情況，相應(yīng)構(gòu)件平面外計(jì)算長度按實(shí)際取用。尤其是采用二維計(jì)算軟件計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意對(duì)平面外相關(guān)條件及假定的判斷設(shè)置。

在剛架計(jì)算時(shí)，尚應(yīng)按中間剛架和端部剛架分別計(jì)算。在計(jì)算端部剛架時(shí)，應(yīng)根據(jù)連接情況考慮抗風(fēng)柱的影響。一般情況下，抗風(fēng)柱作為單獨(dú)構(gòu)件主要承受端墻的風(fēng)荷載及相關(guān)范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)自重，不考慮承擔(dān)剛架荷載。端部抗風(fēng)柱頂與剛架連接處多采用長圓孔螺栓或者“Z”形彈簧片形式，該連接方式的端部剛架僅提供抗風(fēng)柱水平方向約束，而在豎向不提供或只提供很小的約束，避免剛架和抗風(fēng)柱豎向荷載及變形偏差過大引起構(gòu)件破壞。當(dāng)屋面材料較輕且能夠適應(yīng)較大變形時(shí)，抗風(fēng)柱頂部與剛架可采用固定連接，此時(shí)在計(jì)算剛架時(shí)可考慮抗風(fēng)柱的支承作用，在計(jì)算抗風(fēng)柱時(shí)應(yīng)考慮剛架傳下來的荷載。

3.3 地震作用計(jì)算

在計(jì)算地震作用時(shí)，由于帶毗屋門式剛架的質(zhì)量和剛度沿高度分布不均勻，所以在計(jì)算剛架橫向地震作用時(shí)，可按振型分解反應(yīng)譜法來進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)房屋縱向沒有高低跨時(shí)，縱向柱列的地震作用計(jì)算一般可采用基底剪力法，將按高度和質(zhì)量大小分配的地震力傳遞到縱向支撐或縱向框架。

帶毗屋門式剛架由于在橫向?qū)儆谫|(zhì)量和剛度分布不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以除應(yīng)按房屋兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算地震作用外，還應(yīng)整體建立模型計(jì)算雙向水平地震作用并計(jì)入扭轉(zhuǎn)的影響。

3.4 結(jié)果分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)

《門規(guī)》中對(duì)門式剛架各構(gòu)件的計(jì)算方法和構(gòu)造要求做了詳細(xì)的規(guī)定，目前結(jié)構(gòu)工程師多采用計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，但參數(shù)和結(jié)果需要仔細(xì)復(fù)核，在計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)軟件計(jì)算條件的設(shè)定和計(jì)算結(jié)果的判定。對(duì)于帶毗屋門式剛架的主剛架柱平面外穩(wěn)定性計(jì)算，在計(jì)算受壓平面外穩(wěn)定系數(shù)φy時(shí)，應(yīng)按縱向柱間支撐點(diǎn)間的距離計(jì)算，在計(jì)算受彎穩(wěn)定系數(shù)φb時(shí)，應(yīng)按柱受壓翼緣支撐之間的間距來計(jì)算；在計(jì)算屋面檁條、墻梁時(shí)，除按正常計(jì)算風(fēng)壓力工況時(shí)的構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算外，尚應(yīng)特別注意考慮風(fēng)吸力工況下，屋面檁條、墻梁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性能否滿足要求。

在檁條或墻梁設(shè)計(jì)時(shí)，若構(gòu)件強(qiáng)度或者穩(wěn)定性不足，應(yīng)分析問題源頭，避免一味加大截面來“迎合”結(jié)果。如風(fēng)吸力工況下檁條或墻梁穩(wěn)定性計(jì)算不滿足要求時(shí)，可采用雙層拉條解決受壓翼緣的支撐問題。

4 構(gòu)造要求和變形規(guī)定

4.1 構(gòu)造要求

構(gòu)造要求是從概念設(shè)計(jì)角度出發(fā)，根據(jù)以往大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)而來的限值或者規(guī)定，構(gòu)造要求的復(fù)核也是貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始末的一項(xiàng)重要工作。在初選截面時(shí)要考慮，在構(gòu)件應(yīng)力分析截面設(shè)計(jì)時(shí)同樣也要考慮。在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中當(dāng)應(yīng)力比不滿足要求而需要加大構(gòu)件截面或者應(yīng)力比較小需要優(yōu)化構(gòu)件截面時(shí)，應(yīng)同時(shí)注意綜合考慮構(gòu)造要求的影響因素。

由于門式剛架存在構(gòu)件壁厚小、截面尺寸相對(duì)較大的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意剛架各構(gòu)件應(yīng)滿足《門規(guī)》中3.4節(jié)相應(yīng)所規(guī)定的構(gòu)造要求。主剛架構(gòu)件腹板厚度不宜小于4 mm，用于檁條、墻梁的冷彎薄壁型鋼壁厚不宜小于1.5 mm?？紤]到構(gòu)件的局部穩(wěn)定性，《門規(guī)》3.4.1條第2款規(guī)定了剛架構(gòu)件受壓板件中受壓翼緣板自由外伸寬度b與厚度t之比的限值，還規(guī)定了梁、柱構(gòu)件腹板的計(jì)算高度hw與厚度tw之比的限值。

另外，為保證構(gòu)件整體構(gòu)造上的穩(wěn)定性，受壓、受拉構(gòu)件的長細(xì)比限值也是重要的控制指標(biāo)。當(dāng)柱或者支撐長細(xì)比不滿足《門規(guī)》相關(guān)要求時(shí)，應(yīng)結(jié)合應(yīng)力比的大小確定是增加構(gòu)件截面尺寸還是設(shè)置支撐。

大多情況下，輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)為非地震作用組合控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但是也可能存在地震作用組合的效應(yīng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況。在復(fù)核計(jì)算效應(yīng)和構(gòu)造要求時(shí)，一定要注意加以區(qū)分。當(dāng)遇到地震作用組合的效應(yīng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意按《門規(guī)》3.4.3條中對(duì)相關(guān)構(gòu)造要求加強(qiáng)的規(guī)定。地震工況和非地震工況下門式剛架主要構(gòu)件相關(guān)構(gòu)造區(qū)別要求可見表1。

表1 非地震、地震工況門剛構(gòu)件限值

4.2 變形規(guī)定

在門式剛架強(qiáng)度、穩(wěn)定受力計(jì)算滿足要求的前提下，尚應(yīng)按《門規(guī)》3.3.1條規(guī)定的吊車情況和其他情況復(fù)核剛架柱頂位移是否超過限值，并按《門規(guī)》3.3.2條規(guī)定核算門式剛架斜梁、檁條、墻梁等受彎構(gòu)件的撓度是否超過限值。否則，應(yīng)增大構(gòu)件的剛度以滿足變形要求。

5 結(jié)語

本文在對(duì)《門規(guī)》等現(xiàn)行國標(biāo)規(guī)范的理解基礎(chǔ)上結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)帶毗屋門式剛架鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述及總結(jié)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可為同類型鋼結(jié)構(gòu)房屋在結(jié)構(gòu)布置、荷載取值、構(gòu)件設(shè)計(jì)等方面主要參數(shù)取值和重點(diǎn)考慮事項(xiàng)提供參考及建議，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理的目的。