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[摘要]山形门式刚架结构体系是轻型钢结构工业建筑的主要结构形式。从门式刚架结构基础的设计特点、要求及应用研究等方面，分析轻型钢结构在工业厂房设计中的应用。
[关键词]工业厂房设计 轻型钢结构 门式刚架轻钢结构
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520088－01
近年来彩色压型钢板的迅速发展，标志着工业厂房和民用建筑结构的屋盖体系和外围护结构甩掉钢筋混凝土大型屋面板和大型墙板的年代已经到来，这给轻钢结构创造了一个很好的发展机遇，将必然带动整个结构向轻型和快捷方向发展并引起计算、设计理论和方法以及结构形式的巨大变化。这一变化给结构工程研究人员提出了挑战性的研究课题，为轻钢结构向大、中跨度的工业和民用建筑的发展及轻型快速钢结构建筑体系的广泛推广和应用奠定了基础。
近年来，随着我国钢产量的逐年增加，房屋钢结构建筑的应用愈来愈多，其中以轻型钢结构的发展最为迅速。如何引导轻钢结构走人健康良性的发展道路，尽快地解决目前轻钢结构存在的一些关键技术问题，乃是我们研究人员的一项艰巨任务。
一、轻型钢结构建筑体系
轻型钢结构建筑体系不仅仅指由圆钢，角钢和薄壁型钢组成的结构，它具有更广泛的内容和古义。目前，薄壁型钢桁架结构，实腹式和格构式截面刚架结构和屋盖体系为网架或网壳结构的工业和民用建筑是轻钢结构的主要代表形式，其次，多层房屋轻型钢结构建筑体系也正在日本和美国崛起。轻钢结构中，轻有两层含义，一是指结构自重轻，二是指经济效益好。以房屋建筑结构为例，屋盖采用轻型屋面材料和结构体系每单位面积的用钢量指标，是判断和衡量是否为轻型钢结构建筑体系的两个重要因素；对其它结构形式，主要视用钢量而定。
一般而言，对于中小跨度的工业建筑，轻型刚架结构体系较为经济。但是，对于大跨度或超大跨度的工业厂房和民用建筑，则选择屋盖体系为网架结构或网壳结构的轻钢结构更具有优越性。因此，轻型钢结构研究和开发的主要结构形式包括：单跨或多跨刚架结构体系；薄壁型钢桁架结构体系；轻型房屋钢网架或网壳结构体系；多层房屋轻型钢结构建筑体系。
二、轻钢结构基础的设计特点及要求
（一）受力特点分析
对于门式刚架轻钢结构工业厂房来说，以下因素往往决定了基础的受力特点：
(1)厂房设有多台吊车，有时吊车吨位较大，横向水平位移较难控制，要求横向柱脚刚接；纵向水平荷载由柱向支撑承受，故纵向柱脚多为铰接；
(2)由于钢结构自振周期较长，而结构自重较轻，水平地震作用相对较小。水平控制荷载多为风荷载加吊车水平制动荷载；
(3)结构重量轻，风荷和吊车水平制动荷载相对较大，造成基础偏心较大，一般最大偏心距可达1.5～2.5 m左右；
(4)门式刚架轻型钢结构厂房单层或单层带夹层基础多采用独立基础，而且埋深较浅。
（二）厂房基础的设计要求
（1）基础设计原则。根据《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)，偏心基础的设计应遵循以下原则：当e≤b/6时，Pmax=(F+G)/A+M/w,
Pmin=(F+G)/AM/w；当e>b/6时，Pmax=2(F+G)/3La。两端均要求满足Pmax≤1.2fa.其中，b为基础宽度；L为垂直于力矩做用方向的基础底面长；a为合力做用点至基础底面最大压力边缘的距离；fa为修正后的地基承载力特征值。
（2）工业厂房的设计要求。由于偏心荷载做用下基础底面反力不均匀性，可能使基础发生倾斜，甚至会影响厂房的正常使用，特别是带有吊车的工业厂房，因此对基底土压力分布做以下限制：
对于fa<105 kN/m2，吊车起重量在15～20t的露天跨柱基，要求Pmin/pmax≥0.25；对于承受吊车起重量15t以下的厂房柱基，要求Pmin≥0，即不出现基础底面与地基脱离，要满足此条件，偏心距最大为b/6；对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础底面不完全与地基接触，但接触部分长度与基础长度之比L2/L1≥0.75，同时，还应验算底板受拉一边在底板自重及上部土的重力荷载作用下的抗弯强度。
三、山形门式轻型钢刚架结构体系的应用研究
随着我国钢铁产量的增加，在单层工业厂房建设中采用轻型门式刚架结构的厂房越来越多。轻钢结构具有施工速度快，用钢量少，造价低，适用范围广等优点，被许多业主视为优选的结构型式。
由于轻钢结构大多采用轻质屋面及墙板，使厂房系统自重大大降低，当路度较大且有吊车荷载时，水平风荷载并未因自重的降低而减小。结果造成结构基础垂直反力过小而弯矩较大，基础产生偏心过大，给基础设计造成很大困难。
山形门式刚架结构体系是轻型钢结构工业建筑的主要结构形式。山形门式实腹式截面刚架结构体系(图1)一般应用于工业厂房或仓库式工业建筑，在中小跨度范围内具有非常显著的经济效益，获得了非常广泛的应用。
对无吊车的工业厂房或仓库式工业建筑，在侧向位移要求不是很严格的条件下，柱子与基础可设计成铰接连接 (图1)，并且为了节约钢材采用变截面柱以响应柱子弯矩的线性变化。这一举措尽管给安装和制造增加了一些麻烦，但好处是双重的，其一是基础可做成铰接，其二是具有可观的经济效益。对于吊车吨位较大的工业厂房，以采用刚陛柱脚为宜，可大大地提高厂房的整体刚度，减少侧移。但是，基础可能要做得较大，所耗材料较多。这一方面是 由于采用了刚性柱脚，另一方面是由于轻钢结构自重小，压重不够，而柱脚的弯矩较其它结构却降低不多，导致偏心距加大。为了满足基础底面不出现拉应力，设计时要么做成较大的基础，要么设计成偏心基础。研究和开发新型接头，是轻型钢结构研究工作的一个重要方面。传统的连接方法通常采用栓焊混合连接，或纯螺拴连接，或纯焊接连接，特别是工地高空焊接连接给施工带来诸多麻烦。从国外轻型钢结构接头的使用情况来看，法兰盘连接接头应用极其广泛并给安装带来极大的方便，可为我们借鉴。
四、结束语
轻型钢结构应用广泛，涉及到的结构形式众多，不仅包括轻型刚架结构，而且也包括桁架结构，网架和网壳结构，多层房屋钢结构，以及其它各种各样的构筑物。要进一步挖掘和发挥轻型钢结构的承载潜力，降低用钢量指标，必须从最基本的研究做起，诸如蒙皮效应，局部屈曲后强度以及局部屈曲与整体屈曲相关作用，塑性设计等方面的研究。同时，研究和开发新型截面和新型接头，为轻钢结构注入更多的活力。
参考文献：
[1]郭彦林，Zhao Xiao-ling．轻型钢结构建筑体系的发展趋势及存在的关键技术问题[A].中国科协“青年科学家论坛”．21世纪土木工程学科的发展趋势[C]．北京：科学出版社，1997.
[2]中国建筑标准设计研究所.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102：2002)[M].北京：中国工程建设标准化协会，2003．
[关键词]工业厂房设计 轻型钢结构 门式刚架轻钢结构
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0520088－01
近年来彩色压型钢板的迅速发展，标志着工业厂房和民用建筑结构的屋盖体系和外围护结构甩掉钢筋混凝土大型屋面板和大型墙板的年代已经到来，这给轻钢结构创造了一个很好的发展机遇，将必然带动整个结构向轻型和快捷方向发展并引起计算、设计理论和方法以及结构形式的巨大变化。这一变化给结构工程研究人员提出了挑战性的研究课题，为轻钢结构向大、中跨度的工业和民用建筑的发展及轻型快速钢结构建筑体系的广泛推广和应用奠定了基础。
近年来，随着我国钢产量的逐年增加，房屋钢结构建筑的应用愈来愈多，其中以轻型钢结构的发展最为迅速。如何引导轻钢结构走人健康良性的发展道路，尽快地解决目前轻钢结构存在的一些关键技术问题，乃是我们研究人员的一项艰巨任务。
一、轻型钢结构建筑体系
轻型钢结构建筑体系不仅仅指由圆钢，角钢和薄壁型钢组成的结构，它具有更广泛的内容和古义。目前，薄壁型钢桁架结构，实腹式和格构式截面刚架结构和屋盖体系为网架或网壳结构的工业和民用建筑是轻钢结构的主要代表形式，其次，多层房屋轻型钢结构建筑体系也正在日本和美国崛起。轻钢结构中，轻有两层含义，一是指结构自重轻，二是指经济效益好。以房屋建筑结构为例，屋盖采用轻型屋面材料和结构体系每单位面积的用钢量指标，是判断和衡量是否为轻型钢结构建筑体系的两个重要因素；对其它结构形式，主要视用钢量而定。
一般而言，对于中小跨度的工业建筑，轻型刚架结构体系较为经济。但是，对于大跨度或超大跨度的工业厂房和民用建筑，则选择屋盖体系为网架结构或网壳结构的轻钢结构更具有优越性。因此，轻型钢结构研究和开发的主要结构形式包括：单跨或多跨刚架结构体系；薄壁型钢桁架结构体系；轻型房屋钢网架或网壳结构体系；多层房屋轻型钢结构建筑体系。
二、轻钢结构基础的设计特点及要求
（一）受力特点分析
对于门式刚架轻钢结构工业厂房来说，以下因素往往决定了基础的受力特点：
(1)厂房设有多台吊车，有时吊车吨位较大，横向水平位移较难控制，要求横向柱脚刚接；纵向水平荷载由柱向支撑承受，故纵向柱脚多为铰接；
(2)由于钢结构自振周期较长，而结构自重较轻，水平地震作用相对较小。水平控制荷载多为风荷载加吊车水平制动荷载；
(3)结构重量轻，风荷和吊车水平制动荷载相对较大，造成基础偏心较大，一般最大偏心距可达1.5～2.5 m左右；
(4)门式刚架轻型钢结构厂房单层或单层带夹层基础多采用独立基础，而且埋深较浅。
（二）厂房基础的设计要求
（1）基础设计原则。根据《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)，偏心基础的设计应遵循以下原则：当e≤b/6时，Pmax=(F+G)/A+M/w,
Pmin=(F+G)/AM/w；当e>b/6时，Pmax=2(F+G)/3La。两端均要求满足Pmax≤1.2fa.其中，b为基础宽度；L为垂直于力矩做用方向的基础底面长；a为合力做用点至基础底面最大压力边缘的距离；fa为修正后的地基承载力特征值。
（2）工业厂房的设计要求。由于偏心荷载做用下基础底面反力不均匀性，可能使基础发生倾斜，甚至会影响厂房的正常使用，特别是带有吊车的工业厂房，因此对基底土压力分布做以下限制：
对于fa<105 kN/m2，吊车起重量在15～20t的露天跨柱基，要求Pmin/pmax≥0.25；对于承受吊车起重量15t以下的厂房柱基，要求Pmin≥0，即不出现基础底面与地基脱离，要满足此条件，偏心距最大为b/6；对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础底面不完全与地基接触，但接触部分长度与基础长度之比L2/L1≥0.75，同时，还应验算底板受拉一边在底板自重及上部土的重力荷载作用下的抗弯强度。
三、山形门式轻型钢刚架结构体系的应用研究
随着我国钢铁产量的增加，在单层工业厂房建设中采用轻型门式刚架结构的厂房越来越多。轻钢结构具有施工速度快，用钢量少，造价低，适用范围广等优点，被许多业主视为优选的结构型式。
由于轻钢结构大多采用轻质屋面及墙板，使厂房系统自重大大降低，当路度较大且有吊车荷载时，水平风荷载并未因自重的降低而减小。结果造成结构基础垂直反力过小而弯矩较大，基础产生偏心过大，给基础设计造成很大困难。
山形门式刚架结构体系是轻型钢结构工业建筑的主要结构形式。山形门式实腹式截面刚架结构体系(图1)一般应用于工业厂房或仓库式工业建筑，在中小跨度范围内具有非常显著的经济效益，获得了非常广泛的应用。
对无吊车的工业厂房或仓库式工业建筑，在侧向位移要求不是很严格的条件下，柱子与基础可设计成铰接连接 (图1)，并且为了节约钢材采用变截面柱以响应柱子弯矩的线性变化。这一举措尽管给安装和制造增加了一些麻烦，但好处是双重的，其一是基础可做成铰接，其二是具有可观的经济效益。对于吊车吨位较大的工业厂房，以采用刚陛柱脚为宜，可大大地提高厂房的整体刚度，减少侧移。但是，基础可能要做得较大，所耗材料较多。这一方面是 由于采用了刚性柱脚，另一方面是由于轻钢结构自重小，压重不够，而柱脚的弯矩较其它结构却降低不多，导致偏心距加大。为了满足基础底面不出现拉应力，设计时要么做成较大的基础，要么设计成偏心基础。研究和开发新型接头，是轻型钢结构研究工作的一个重要方面。传统的连接方法通常采用栓焊混合连接，或纯螺拴连接，或纯焊接连接，特别是工地高空焊接连接给施工带来诸多麻烦。从国外轻型钢结构接头的使用情况来看，法兰盘连接接头应用极其广泛并给安装带来极大的方便，可为我们借鉴。
四、结束语
轻型钢结构应用广泛，涉及到的结构形式众多，不仅包括轻型刚架结构，而且也包括桁架结构，网架和网壳结构，多层房屋钢结构，以及其它各种各样的构筑物。要进一步挖掘和发挥轻型钢结构的承载潜力，降低用钢量指标，必须从最基本的研究做起，诸如蒙皮效应，局部屈曲后强度以及局部屈曲与整体屈曲相关作用，塑性设计等方面的研究。同时，研究和开发新型截面和新型接头，为轻钢结构注入更多的活力。
参考文献：
[1]郭彦林，Zhao Xiao-ling．轻型钢结构建筑体系的发展趋势及存在的关键技术问题[A].中国科协“青年科学家论坛”．21世纪土木工程学科的发展趋势[C]．北京：科学出版社，1997.
[2]中国建筑标准设计研究所.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102：2002)[M].北京：中国工程建设标准化协会，2003．