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摘要： 结合实际工程经验及对规范的理解，探讨钢结构设计中需要注意的事项，并就这些事项作了阐述。
关键词 钢结构； 排架； 挠度； 失稳
Abstract: combining the practical engineering experience and understanding of the norms of the, this paper discusses the steel structure design of the need for attention to matters, and these matters are described.
Keywords steel structure; Bent; Deflection; instability
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
1 概述
现在，大多数的工业厂房都是排架结构，以钢结构为主。排架结构：主要用于单层厂房，由屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联结起来，构成整体的空间结构。
2 钢结构厂房设计需注意的事项
每种结构都有其特别之处，各种功能的建筑有其自身的需求。工业厂房就是一种特定功能建筑，它需要大空间大跨度，同时配置各种相应的设备，一般其上部采用钢结构等。现在选取几项钢结构设计的注意事项，谈谈我的看法。
1）单件屋面板长度不宜过长。屋面漏水大致有两种：①采用屋面钉板时，钉孔孔位可能出现渗水②屋面板横向搭接处渗水，主要原因是面板过长，雨水漫过波峰，导致搭接处大面积渗水。因此要根据面板材料特性，及当地降雨量来合理选取单坡长度。
2）钢结构构件验算时，如何合理选取对应的截面（净截面、有效净截面、有效截面、毛截面）。①毛截面：不扣除孔洞的截面面积，不考虑孔洞对截面的削弱。验算构件整体稳定性时，可采用毛截面面积进行计算；②净截面：扣除孔洞的截面面积，考虑孔洞对截面的削弱，主要用于强度验算。比如受拉构件的强度验算应采用净截面面积进行计算；③有效截面：考虑屈曲后强度但并不扣除孔洞的截面有效面积。一般对于宽厚比较大的冷成型钢，采用有效面积来考虑局部的屈曲后强度问题；考虑到板太薄，受压时会发生局部屈曲，从而不能全截面都用来承载。故对这种薄壁构件认为其中的一部分截面（有效截面）正常受力，而其他部分不考虑它的作用。④有效净截面：考虑屈曲后强度并且扣除孔洞的截面有效面积。构件受压强度既要考虑孔洞对截面强度的削弱，也要考虑局部的屈曲后强度，一般采用有效净截面计算。构件受拉时不用考虑局部屈曲，所以仍采用净截面。
综上所述：对于普通钢结构构件，验算强度时采用净截面，验算稳定性时采用毛截面；对于薄壁钢结构构件，验算受拉强度时采用净截面，验算受压强度时采用有效净截面，验算稳定性时采用有效截面。
3）受弯工字梁失稳及解决方法：施加荷载不大时，梁基本上在其最大刚度平面内弯曲；当施加荷载达到一定数值后，梁将同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，最后很快的丧失继续承载的能力。此时梁的整体失稳必然是侧向弯扭弯曲。解决方法有三种：①增加梁的侧向支撑点（如屋面梁设置隅撑作为侧向支撑点）。②调整梁的截面，增加梁侧向惯性矩或增加受压翼缘宽度（如吊车梁上翼缘）。③调整梁端支座对截面的约束，支座如能提供转动约束，梁的整体稳定性将有较大的提高。
4）次梁與主梁连接一般设计为铰接：如果次梁与主梁刚接，在主梁同一截面处两侧都有相同荷载时，对主梁影响不大。如果只是单边有刚接的次梁，对于主梁来说平面外受扭，需要计算抗扭。梁的整体失稳主要表现为侧向弯扭弯曲，因此应尽量避免梁平面外受扭。另外，若次梁与主梁采用刚接节点，现场焊接工作量将大大增加。
5）当梁的挠度过大时，可以通过起拱加于控制，起拱的大小一般为恒载标准值加1/2活荷载标准值所产生的挠度值。对于钢结构来说，挠度过大会影响屋面排水，同时使人感觉不安全；对于混凝土结构来说，挠度过大会造成耐久性的局部破坏（包括混凝土裂缝）。以挠度为主要控制因素的钢梁，采用起拱办法能减低结构的用钢量。
6）对于门式钢架风荷载取值，《全国民用建筑工程设计技术措施》有相关的规定：跨高比l／h小于等于4的门式刚架应按《建筑结构荷载规范》GB50009--2001计算风荷载标准值Wk及风荷载体形系数μs，不考虑风振系数βj，但当跨高比1／h大于4的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值Wk宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECSl02：2002取用。
另外，还有3个事项与风荷载有关，设计时需要注意的：
①敞开式建筑：指外墙面至少有80％敞开的建筑。部分封闭式建筑：受外部正风力的墙面上孔口总面积超过该建筑物其余外包面（墙面和屋面）上孔口面积的总和，并超过该墙面毛面积的5%，且建筑物其余外包面的开孔率不超过20%的建筑。他们对应着不同的体形系数。
②边缘带：确定围护结构构件和面板上风荷载体形系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属边缘带的均为中间区。端区：确定主刚架上风荷载体型系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属端区的均为中间区。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A中有详细的说明。
③各个构件根据其特点，选取不用的体型系数。面板、墙面檩条、屋面檩条、刚架等，他们有各自的体型系数选取标准，不能混为一谈，见《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A。
7）门式刚架的抗震设计原则：①采用底部剪力法。门架以剪切变形为主，质量刚度分布均匀，两个振型周期相差太大，以第一振型为主，所以采用底部剪力法计算。②7度及其以下不需要地震计算，但仍需要采取抗震措施。③门架抗震措施主要是加强节点：①构件之间尽量采用螺栓连接；②梁柱节点，在梁下翼加掖板；③梁柱连接点处宽厚比适当减小；④柱间支撑与构件连接处节点按1.2倍杆件承载力设计；⑤柱间支撑和柱连接处的柱脚锚栓要做抗拔验算，并防止锚栓抗剪，设置抗剪键。附带引出，一般柱脚都应该设置抗剪键。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中，柱脚的水平剪力可以由柱底板与混凝土的摩擦力或设置抗剪键承受。如果由柱底板与混凝土的摩擦力来承受，二次浇筑施工质量需要得到保证，浇筑要密实，并采用膨胀剂混凝土或无收缩混凝土。
8）混凝土柱加变截面钢梁的单层工业厂房可以按排架结构设计。此时轻钢屋面梁可以按门式刚架规范进行设计；对于混凝土柱按混凝土规范进行设计。对于这种结构形式，关键是混凝土柱和钢梁的节点设计，连接方式一般应该采用铰接（混凝土是一种脆性材料，虽然可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。）。在钢梁下部设置一根拉杆，能减少钢梁对柱顶产生的较大水平力，从而大大降低混凝土柱脚的弯矩。
9）吊车梁的设计：吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，计算吊车梁截面时不予考虑。横向水平荷载应等分于桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向的刹车情况。计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接（吊车梁、制动结构、柱相互间的连接）的强度时，应考虑吊车摆动引起的横向水平力。竖向荷载在吊车梁垂直方向产生弯矩和剪力，水平荷载在吊车梁上翼缘平面产生水平方向的弯矩和剪力。吊车梁一般设计成简支梁。若按连续梁设计固然可节省材料，但连续梁对支座沉降比较敏感，因此对基础要求较高。需要注意：中间横向加劲肋的下端宜在距受拉翼缘50~100mm处断开，与其腹板的连接焊缝不宜在肋下端起落弧。主要也是考虑吊车梁的疲劳破坏避免过多的焊缝相交产生应力集中，同时吊车梁的疲劳破坏一般是从受拉区开裂开始。同上，当吊车梁受拉翼缘与支撑相连时，不宜采用焊接。
3小结
工业厂房采用的排架结构，从结构形式来看，固然比较简单，结构间传力明确。尽管这样，需要注意的问题还是有很多的，以上仅仅列举了几点作为阐述。让我们在工程实践中继续探索，积累更多的工程设计经验。
参考文献
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002.中国计划出版社
2、《全国民用建筑工程设计技术措施》.中国建筑标准设计研究院,2009
3、《钢结构设计规范》GB50017-2003.中国计划出版社
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词 钢结构； 排架； 挠度； 失稳
Abstract: combining the practical engineering experience and understanding of the norms of the, this paper discusses the steel structure design of the need for attention to matters, and these matters are described.
Keywords steel structure; Bent; Deflection; instability
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
1 概述
现在，大多数的工业厂房都是排架结构，以钢结构为主。排架结构：主要用于单层厂房，由屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联结起来，构成整体的空间结构。
2 钢结构厂房设计需注意的事项
每种结构都有其特别之处，各种功能的建筑有其自身的需求。工业厂房就是一种特定功能建筑，它需要大空间大跨度，同时配置各种相应的设备，一般其上部采用钢结构等。现在选取几项钢结构设计的注意事项，谈谈我的看法。
1）单件屋面板长度不宜过长。屋面漏水大致有两种：①采用屋面钉板时，钉孔孔位可能出现渗水②屋面板横向搭接处渗水，主要原因是面板过长，雨水漫过波峰，导致搭接处大面积渗水。因此要根据面板材料特性，及当地降雨量来合理选取单坡长度。
2）钢结构构件验算时，如何合理选取对应的截面（净截面、有效净截面、有效截面、毛截面）。①毛截面：不扣除孔洞的截面面积，不考虑孔洞对截面的削弱。验算构件整体稳定性时，可采用毛截面面积进行计算；②净截面：扣除孔洞的截面面积，考虑孔洞对截面的削弱，主要用于强度验算。比如受拉构件的强度验算应采用净截面面积进行计算；③有效截面：考虑屈曲后强度但并不扣除孔洞的截面有效面积。一般对于宽厚比较大的冷成型钢，采用有效面积来考虑局部的屈曲后强度问题；考虑到板太薄，受压时会发生局部屈曲，从而不能全截面都用来承载。故对这种薄壁构件认为其中的一部分截面（有效截面）正常受力，而其他部分不考虑它的作用。④有效净截面：考虑屈曲后强度并且扣除孔洞的截面有效面积。构件受压强度既要考虑孔洞对截面强度的削弱，也要考虑局部的屈曲后强度，一般采用有效净截面计算。构件受拉时不用考虑局部屈曲，所以仍采用净截面。
综上所述：对于普通钢结构构件，验算强度时采用净截面，验算稳定性时采用毛截面；对于薄壁钢结构构件，验算受拉强度时采用净截面，验算受压强度时采用有效净截面，验算稳定性时采用有效截面。
3）受弯工字梁失稳及解决方法：施加荷载不大时，梁基本上在其最大刚度平面内弯曲；当施加荷载达到一定数值后，梁将同时产生较大的侧向弯曲和扭转变形，最后很快的丧失继续承载的能力。此时梁的整体失稳必然是侧向弯扭弯曲。解决方法有三种：①增加梁的侧向支撑点（如屋面梁设置隅撑作为侧向支撑点）。②调整梁的截面，增加梁侧向惯性矩或增加受压翼缘宽度（如吊车梁上翼缘）。③调整梁端支座对截面的约束，支座如能提供转动约束，梁的整体稳定性将有较大的提高。
4）次梁與主梁连接一般设计为铰接：如果次梁与主梁刚接，在主梁同一截面处两侧都有相同荷载时，对主梁影响不大。如果只是单边有刚接的次梁，对于主梁来说平面外受扭，需要计算抗扭。梁的整体失稳主要表现为侧向弯扭弯曲，因此应尽量避免梁平面外受扭。另外，若次梁与主梁采用刚接节点，现场焊接工作量将大大增加。
5）当梁的挠度过大时，可以通过起拱加于控制，起拱的大小一般为恒载标准值加1/2活荷载标准值所产生的挠度值。对于钢结构来说，挠度过大会影响屋面排水，同时使人感觉不安全；对于混凝土结构来说，挠度过大会造成耐久性的局部破坏（包括混凝土裂缝）。以挠度为主要控制因素的钢梁，采用起拱办法能减低结构的用钢量。
6）对于门式钢架风荷载取值，《全国民用建筑工程设计技术措施》有相关的规定：跨高比l／h小于等于4的门式刚架应按《建筑结构荷载规范》GB50009--2001计算风荷载标准值Wk及风荷载体形系数μs，不考虑风振系数βj，但当跨高比1／h大于4的门式刚架及房屋所有围护结构的风荷载标准值Wk宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECSl02：2002取用。
另外，还有3个事项与风荷载有关，设计时需要注意的：
①敞开式建筑：指外墙面至少有80％敞开的建筑。部分封闭式建筑：受外部正风力的墙面上孔口总面积超过该建筑物其余外包面（墙面和屋面）上孔口面积的总和，并超过该墙面毛面积的5%，且建筑物其余外包面的开孔率不超过20%的建筑。他们对应着不同的体形系数。
②边缘带：确定围护结构构件和面板上风荷载体形系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属边缘带的均为中间区。端区：确定主刚架上风荷载体型系数时，在外墙和屋面上划分的位于建筑物端部和边缘的区域。凡不属端区的均为中间区。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A中有详细的说明。
③各个构件根据其特点，选取不用的体型系数。面板、墙面檩条、屋面檩条、刚架等，他们有各自的体型系数选取标准，不能混为一谈，见《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A。
7）门式刚架的抗震设计原则：①采用底部剪力法。门架以剪切变形为主，质量刚度分布均匀，两个振型周期相差太大，以第一振型为主，所以采用底部剪力法计算。②7度及其以下不需要地震计算，但仍需要采取抗震措施。③门架抗震措施主要是加强节点：①构件之间尽量采用螺栓连接；②梁柱节点，在梁下翼加掖板；③梁柱连接点处宽厚比适当减小；④柱间支撑与构件连接处节点按1.2倍杆件承载力设计；⑤柱间支撑和柱连接处的柱脚锚栓要做抗拔验算，并防止锚栓抗剪，设置抗剪键。附带引出，一般柱脚都应该设置抗剪键。在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中，柱脚的水平剪力可以由柱底板与混凝土的摩擦力或设置抗剪键承受。如果由柱底板与混凝土的摩擦力来承受，二次浇筑施工质量需要得到保证，浇筑要密实，并采用膨胀剂混凝土或无收缩混凝土。
8）混凝土柱加变截面钢梁的单层工业厂房可以按排架结构设计。此时轻钢屋面梁可以按门式刚架规范进行设计；对于混凝土柱按混凝土规范进行设计。对于这种结构形式，关键是混凝土柱和钢梁的节点设计，连接方式一般应该采用铰接（混凝土是一种脆性材料，虽然可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。）。在钢梁下部设置一根拉杆，能减少钢梁对柱顶产生的较大水平力，从而大大降低混凝土柱脚的弯矩。
9）吊车梁的设计：吊车在吊车梁上运动产生三个方向的动力荷载：竖向荷载、横向水平荷载和沿吊车梁纵向的水平荷载。纵向水平荷载是指吊车刹车力，其沿轨道方向由吊车梁传给柱间支撑，计算吊车梁截面时不予考虑。横向水平荷载应等分于桥架的两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨道，其方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向的刹车情况。计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接（吊车梁、制动结构、柱相互间的连接）的强度时，应考虑吊车摆动引起的横向水平力。竖向荷载在吊车梁垂直方向产生弯矩和剪力，水平荷载在吊车梁上翼缘平面产生水平方向的弯矩和剪力。吊车梁一般设计成简支梁。若按连续梁设计固然可节省材料，但连续梁对支座沉降比较敏感，因此对基础要求较高。需要注意：中间横向加劲肋的下端宜在距受拉翼缘50~100mm处断开，与其腹板的连接焊缝不宜在肋下端起落弧。主要也是考虑吊车梁的疲劳破坏避免过多的焊缝相交产生应力集中，同时吊车梁的疲劳破坏一般是从受拉区开裂开始。同上，当吊车梁受拉翼缘与支撑相连时，不宜采用焊接。
3小结
工业厂房采用的排架结构，从结构形式来看，固然比较简单，结构间传力明确。尽管这样，需要注意的问题还是有很多的，以上仅仅列举了几点作为阐述。让我们在工程实践中继续探索，积累更多的工程设计经验。
参考文献
1、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002.中国计划出版社
2、《全国民用建筑工程设计技术措施》.中国建筑标准设计研究院,2009
3、《钢结构设计规范》GB50017-2003.中国计划出版社
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。