王夢(mèng)宇WANG Meng-yu

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 門(mén)式剛架概述

1.1 發(fā)展概況

20 世紀(jì)中葉，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系起源于美國(guó)，最初應(yīng)用于兵營(yíng)、庫(kù)房和工廠的建設(shè)中，隨著新型建筑鋼材的發(fā)展、設(shè)計(jì)水平的提高、設(shè)計(jì)形式的多樣化，這種結(jié)構(gòu)體系的建筑更加廣泛地應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、娛樂(lè)體育設(shè)施等工業(yè)與民用建筑中。此外，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高、抗震性能好的特點(diǎn)，在地震頻發(fā)的日本較為普及，據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本新建的1～4 層建筑大多采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系。由于我國(guó)多年來(lái)本著節(jié)約鋼材的設(shè)計(jì)原則，門(mén)式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)體系發(fā)展和應(yīng)用較為緩慢，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、鋼材產(chǎn)量的增加、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和圖集的進(jìn)一步完善，該結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)已取得了較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)按跨度可分成單跨、雙跨、多跨以及帶挑檐和毗屋的類(lèi)型；按房屋坡脊類(lèi)型可分為單脊單坡、單脊雙坡和多脊多坡；按截面形式可分為等截面和變截面門(mén)式剛架。

圖1 門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)形式示例

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

受力簡(jiǎn)單，傳力路徑明確；圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼等輕型材料，結(jié)構(gòu)整體自重輕；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，施工周期短，安裝和拆卸相對(duì)便利；結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面尺寸較小，柱網(wǎng)布置靈活，不僅提高了空間利用率，還大大減小了用鋼量，經(jīng)濟(jì)效益明顯；基礎(chǔ)形式較為簡(jiǎn)單，土建工程量較小，是一種經(jīng)濟(jì)可靠的結(jié)構(gòu)形式。

2 門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及要點(diǎn)

門(mén)式剛架上部結(jié)構(gòu)主要包括由剛架梁和剛架柱組成的主剛架；屋面支撐、隅撐、柱間支撐組成的支撐系統(tǒng)；搖擺柱、墻梁、檁條、拉條、剛性撐桿和吊車(chē)梁系統(tǒng)等。（圖2）

圖2 門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)組成示意圖

下面以某停車(chē)列檢庫(kù)為例，詳細(xì)論述門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

2.1 主要技術(shù)條件

某停車(chē)列檢庫(kù)選用門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)體系。柱距9.0m，跨度24.0m，縱向長(zhǎng)度108.0m，層高9.4m，室內(nèi)外高差300mm。屋面做法選用雙層壓型鋼板復(fù)核保溫屋面，屋面坡度取1/10。

根據(jù)建筑物重要性，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，耐火等級(jí)為二級(jí)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年。

基本雪壓為0.25kN/m2（100 年重現(xiàn)期），基本風(fēng)壓0.40kN/m2（100 年重現(xiàn)期），地面粗糙類(lèi)別：B 類(lèi)。屋面恒載0.5kN/m2，屋面活載0.5kN/m2。

本工程建筑抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.30g，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.40s。

2.2 主剛架設(shè)計(jì)

主剛架由剛架梁和剛架柱組成，為門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性分析方法計(jì)算，不宜考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，可按平面結(jié)構(gòu)分析內(nèi)力。因此根據(jù)建筑形式，利用PKPM 軟件建立單跨雙坡門(mén)式剛架二維模型。

梁柱截面尺寸為變截面時(shí)，構(gòu)件受力更合理，截面形狀與內(nèi)力圖形較為吻合，腹板寬厚比較大，設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用其屈曲后剛度以節(jié)約材料。因此剛架柱選用450～750×350×16×18 變截面工字鋼柱，剛架梁選用850～600×300×14×16變截面工字鋼梁，均為Q355 級(jí)鋼，主剛架立面圖如圖3所示。

圖3 主剛架立面圖

2.2.1 荷載布置

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的荷載布置，主要包括恒載和活載暨永久荷載與可變荷載。其中恒載主要為屋面板、檁等構(gòu)件的自重，活載則包括風(fēng)荷載、雪荷載、豎向活載等。

本工程恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kN/m2，雪荷載不與屋面活載同時(shí)考慮，活載按0.5kN/m2取值，施工檢修荷載1.0kN，基本風(fēng)壓為0.40kN/m2，迎風(fēng)面寬度為柱距9.0m，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009 規(guī)定[1]，風(fēng)荷載高度變化系數(shù)為1.0，根據(jù)《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）表4.2.2-1 規(guī)定，風(fēng)荷載系數(shù)以封閉式中間區(qū)取值[2]。

值得注意的是，本工程外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為蒸壓加氣混凝土砌塊，該部分重量雖不直接向主剛架傳導(dǎo)豎向應(yīng)力，但在水平地震作用下，由于與主剛架的可靠拉結(jié)，該部分質(zhì)量產(chǎn)生的水平地震力將傳遞給建筑主體構(gòu)件，因此在荷載布置時(shí)，需將一半高度的圍護(hù)墻重量以附加荷載的形式布置在柱頂節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 約束布置

門(mén)式剛架柱腳分為剛接柱腳和鉸接柱腳，兩種柱腳在構(gòu)造、受力和與基礎(chǔ)的連接方式上均有不同?！堕T(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）5.1.4 條規(guī)定，“門(mén)式剛架柱腳宜按鉸接支承設(shè)計(jì)。當(dāng)用于工業(yè)廠房有5t以上橋式吊車(chē)時(shí)，可將柱腳設(shè)計(jì)為剛接。”當(dāng)檐口標(biāo)高較高、水平荷載較大、結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)移要求嚴(yán)格時(shí)，也應(yīng)采用剛接柱腳。

本工程柱腳形式為鉸接，為保證主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的可靠連接，需要預(yù)埋錨栓。柱腳錨栓選用Q355，M30 柱腳錨栓且采用雙螺母；錨栓最小錨固長(zhǎng)度按《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）表10.2.15 選取。

2.3 次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

門(mén)式剛架次結(jié)構(gòu)主要包括柱間支撐、屋面支撐、隅撐組成的支撐系統(tǒng)和搖擺柱、墻梁、檁條、拉條、剛性撐桿等。

門(mén)式剛架次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，連接不同平面形成空間剛度和穩(wěn)定性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。第二，支承外圍護(hù)和屋面板，將外部荷載傳遞給主體結(jié)構(gòu)；第三，傳遞縱向風(fēng)荷載和地震作用等縱向荷載。

2.3.1 支撐系統(tǒng)設(shè)置

門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)由柱間支撐、屋面支撐和隅撐組成。支撐系統(tǒng)的布置需要滿(mǎn)足必要的剛度、強(qiáng)度要求，能夠明確、合理地傳遞縱向荷載，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系平面外穩(wěn)定[3]。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性依靠屋面支撐與柱間支撐所組成的整體?？v向水平荷載的傳遞路徑，由屋面橫向水平支撐傳遞到柱間支撐，最后傳至基礎(chǔ)。

屋面橫向水平支撐設(shè)置在建筑物溫度區(qū)段的兩端開(kāi)間內(nèi)，當(dāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且各跨度高度一致時(shí)，在滿(mǎn)足溫度區(qū)段長(zhǎng)度條件下，可僅在端開(kāi)間設(shè)置。當(dāng)存在高低跨變化時(shí)，為提高結(jié)構(gòu)整體性，受力更加合理，需要設(shè)置縱向水平支撐。屋面水平支撐主要由交叉桿和剛性系桿組成，交叉桿按拉桿設(shè)計(jì)，剛性系桿按壓桿設(shè)計(jì)，剛性系桿在屋脊和柱頂沿房屋縱向全長(zhǎng)布置[4]。本工程屋面支撐交叉桿選用Φ25 圓鋼，材質(zhì)為Q355，為避免圓鋼撓度過(guò)大，設(shè)置花籃螺栓。剛性系桿選用Φ159×5.0 圓鋼，材質(zhì)為Q355。

柱間支撐與屋面支撐宜設(shè)置在同一開(kāi)間，組成一個(gè)支撐桁架以抵抗縱向荷載。無(wú)吊車(chē)時(shí)柱間支撐間距取30-45m，屋面支撐承受的荷載通過(guò)柱頂剛性系桿傳遞到柱間支撐上。當(dāng)不允許設(shè)置交叉支撐時(shí)，可設(shè)置門(mén)架支撐[5]。本工程柱間支撐采用交叉支撐的形式，選用L90×8.0 的雙邊角鋼，材質(zhì)為Q355。

隅撐是連接檁條、墻梁和剛架受壓翼緣的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算，一般在剛架斜梁全跨度內(nèi)設(shè)置，以提高剛架梁下翼緣和柱內(nèi)翼緣的平面外穩(wěn)定性[6]。本工程隅撐選用L50×6.0 單角鋼，材質(zhì)為Q355。

2.3.2 屋面系統(tǒng)設(shè)置

屋面系統(tǒng)主要由屋面檁條、拉條、斜拉條、剛性撐桿組成。

檁條設(shè)置在剛架斜梁上。為防止檁條局部扭轉(zhuǎn)，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，利用檁托將其與剛架梁連接。檁條承受豎向均布荷載，是雙向受彎構(gòu)件，通常按單跨簡(jiǎn)支檁條設(shè)計(jì)。檁條根據(jù)截面形式可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式，實(shí)腹式檁條截面形式主要有熱軋型鋼、H 型鋼和冷彎薄壁型鋼。當(dāng)屋面做法為壓型鋼板等輕型屋面時(shí)一般采用冷彎薄壁型鋼截面，當(dāng)屋面坡度≤1/3 時(shí)，選用C 型檁條；當(dāng)屋面坡度＞1/3 時(shí)，選用Z 型檁條，與C 型檁條相比受力更加合理，但是安裝較為復(fù)雜[7]。

屋面檁條布置時(shí)間距一般相同，并在屋脊兩側(cè)和天溝附近分別布置一道檁條，防止屋面板外伸過(guò)大并便于天溝固定，檁條跨度與柱距相同。

由于檁條在豎向均布荷載作用下產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，為將檁條沿屋面坡度方向的分力傳遞給梁、柱，需要布置拉條和剛性撐桿，提高檁條的側(cè)向穩(wěn)定性，其中拉條主要傳遞拉力，剛性撐桿主要承受壓力。當(dāng)檁條跨度大于4m 時(shí)，拉條布置在檁跨中位置，當(dāng)檁條跨度大于6m 時(shí)，在檁條跨度三等分點(diǎn)處分別設(shè)置拉條；在屋脊和檐口處需要布置斜拉條和剛性撐桿。本工程選用280×80×25×3.0C 型檁條，材質(zhì)為Q355。

拉條通常選用圓鋼，直徑不小于10mm 的；剛性撐桿可選用鋼管、方管、角鋼或者圓鋼內(nèi)設(shè)拉條的做法，長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)小于200。本工程拉條和斜拉條均為直徑12mm 的圓鋼，剛性撐桿選用Φ32×3.0 圓鋼內(nèi)設(shè)拉條的做法，材質(zhì)均為Q355。

2.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)自重不大，基底反力一般較小，所以基礎(chǔ)選型通常選擇獨(dú)立基礎(chǔ)[8]。但在實(shí)際工程中還要結(jié)合工程實(shí)際，如地質(zhì)狀況、使用需求等，合理選擇基礎(chǔ)形式。對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，場(chǎng)地覆蓋層主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)的黃土狀粉質(zhì)黏土、圓礫以及新近系泥巖，存在一定深度的濕陷性黃土，屬不良地質(zhì)，因此選用樁基礎(chǔ)形式。

2.5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

跨度、柱距、結(jié)構(gòu)高度、鋼材類(lèi)型、有無(wú)吊車(chē)、屋面坡度是影響門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)用鋼量的主要因素。本工程跨度24.0m，柱距9.0m，跨度與柱距的選取均較為經(jīng)濟(jì)，檐口高度9.4m，無(wú)吊車(chē)，屋面坡度1/10，選用Q355 鋼。主剛架用鋼量約為15kg/m2；次結(jié)構(gòu)用鋼量約為10kg/m2，其中墻梁和檁條約7kg/m2，支撐系統(tǒng)1.5kg/m2。此外節(jié)點(diǎn)做法用鋼量占到鋼結(jié)構(gòu)全部數(shù)量的10%～15%左右。

3 結(jié)論

門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，因其自身優(yōu)點(diǎn)和良好的經(jīng)濟(jì)性，在建筑工程上應(yīng)用較為普遍。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和圖集的進(jìn)一步完善也為門(mén)式剛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)指導(dǎo)，為其快速發(fā)展提供了技術(shù)支持。文章以某停車(chē)列檢庫(kù)為例，闡述了門(mén)式鋼架的特點(diǎn)，詳細(xì)論述了門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要包括主剛架設(shè)計(jì)、荷載取值、約束布置、材料選取、支撐系統(tǒng)和屋面系統(tǒng)等門(mén)式剛架次結(jié)構(gòu)的設(shè)置，為其他工程的設(shè)計(jì)提供參考。

門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑材料和結(jié)構(gòu)形式的局限性。同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者也提出了更高的要求，要更加認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)規(guī)范規(guī)程，深刻理解設(shè)計(jì)原理，不斷優(yōu)化技術(shù)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。