论文部分内容阅读
摘 要：轻型钢结构以其施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、造价低廉等优势，越来越受国内外建筑商所青睐。而门式刚架结构体系作为轻型钢结构的一种结构形式，伴随着我国经济的高速发展，广泛应用于工业、居住和公共建筑，其发展是相当迅速的。在以往的工程项目设计中通过比选方案，该结构形式经常被选择采用。
关键词：门式刚架；荷载；钢梁；檩条
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）05-0041-02
1 工程概况
以某工程成品仓库门式刚架为例，简要阐述轻型门式刚架结构设计的一些基本步骤和注意事项。该工程基本设计条件为抗震设防裂度为7度（设计基本地震加速度0.1g），Ⅳ类场地，基本风压0.55kN/m2 ， 地面粗糙度为B类。刚架抗震能力很强，7度设防时一般不需做抗震验算。
成品仓库全长105m，双坡双跨，单坡跨度27m，双跨总跨度54m，柱距7.5m，无吊车，檐口高度10.5m。门式刚架变形能力强可以有效的抵御地震作用，但在使用荷载作用下产生的位移较大，因此不适宜安装起重量过大的吊车，通常采用重量不大于3t的悬挂式吊车起。本项目无吊车，所以柱脚采用铰接，斜梁坡度1/15。
2 结构体系
为防止出入仓库的叉车撞击钢柱和预防雨水侵入仓库，沿厂房设置了1.2m高矮墙。钢柱下设置1.2m高，与墙等高的混凝土短柱。注意在考虑基础及短柱定位时，应事先计算上部门式刚架的钢柱尺寸，保证钢柱柱脚中心与混凝土短柱中心、基础中心重合。混凝土短柱外皮应与墙外皮对齐，同时还应考虑到轻型钢墙板的布置。
在本次成品仓库设计中，成品库建筑面积较大，超出国家防火要求，而且近期有事故表明，如果成品仓库的防火分区设置不当，当发生火灾时火情串联，难以保证人身和财产的安全，故建筑专业要求在成品库内设置防火墙，保证防火分区。考虑到门式刚架结构在受到风荷载等外部荷载时变形比较大，如把防火墙置于钢柱间，则墙体将大大阻碍门式刚架的整体变形，对整个结构不利，所以在设计时应考虑把防火墙置于钢柱外皮布置，且与钢柱间距50mm左右的距离以确保门式刚架的变形要求。在钢柱对应位置设置钢筋砼构造柱，构造柱与砌体墙之间按《砌体规范》设置拉接筋，构造柱与钢柱之间采用两块钢板，利用长螺栓孔连接，以保证砌体墙沿墙轴线方向变形自由。
3 荷载选取
3.1 屋面恒荷载
屋面梁计算恒荷载包括屋面板荷载、檩条荷载、支撑自重、风机或气楼荷载等。在檩条计算时恒荷载包括屋面板荷载、拉条自重等。本成品仓库屋面梁恒荷载经过计算取用0.3kN/m2。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）规定活荷载为0.5kN/m2，当受荷水平投影面积大于60m2时可乘以折减系数，此时活荷载可取0.3kN/m2，檩条计算活荷载为0.5kN/m2。计算时需要注意屋面活荷载与雪荷载不同时叠加，风荷载和地震力不同时考虑，本项目基本雪压为0.2kN/m2小于活荷载，故在计算屋面钢梁时活荷载选用0.3kN/m2，檩条活荷载选用0.5kN/m2。
3.2 风荷载
风荷载也是决定门式刚架钢梁、檩条截面和稳定的又一重要因素，需要注意的是在计算钢梁、檩条时应按照门式刚架技术规程附录A的规定分中间区，边缘带等分别进行计算，并注意基本风压要乘以1.05安全系数，这里有别于荷载规范，在取用风荷载体型系数时要注意刚架的适用条件。在风吸力作用下要考虑檩条的稳定性，当檩条下翼缘受压时要采取措施抵抗侧向位移和扭转。
4 门式刚架的计算
4.1 计算时的注意事项
成品仓库门式刚架的计算，采用PKPM系列软件的STS中门式刚架计算程序，需要注意以下几点：
（1）运用门式刚架二维设计，分别对边跨和中间跨两榀刚架进行计算，梁柱变截面构件楔率应小于60mm/m。
（2）本工程屋面坡度要求1/15，斜梁设计为楔形，外形与弯矩包络图基本保持一致。
（3）考虑运输、吊装、经济等因素，一般要求斜梁构件长度在9～12m之间，斜梁应分段采用摩擦型高强螺栓拼接，拼接点尽量设在弯矩较小处，并避开顶部檩条及腹部支撑位置。
（4）梁端设置为铰接，梁、柱的平面外计算长度取侧向支撑点的距离，当两翼缘侧向支撑点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支撑点间的距离。
（5）铰接构件设置选项中，柱脚应设置为铰接。
4.2 对于变形的控制
参数输入中输入变形参数，成品库刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条，其挠度限值为L/180。成品仓库不设置吊车且采用轻型钢墙板，所以柱顶位移设计值的限值为h/60。对于整体刚架而言，由于柱脚的嵌固作用、压型钢板的蒙皮效应等因素影响，门式刚架的实际位移一般都远小于设计值。本工程的情况刚架柱脚为铰接，若按位移控制值设计时，刚架柱顶的实际位移仅为设计值的一半左右。
4.3 设计计算中的注意事项
在设计计算中有一点需要注意，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》5.2.4侧移计算时，计算长度L=2s；而在6.1.3稳定计算时，计算长度L=s。对于这两处计算长度不同的解释是：5.2.4计算长度指侧移时摇摆柱不起作用，因此L即为全跨，四跨时L=4s；规程6.1.3计算长度指柱的稳定，摇摆柱使约束梁弯曲，且对柱的稳定有帮助，因此不论二跨还是四跨均取L=s。
5 支撑的布置
对于门式刚架整体稳定来说，支撑布置是不可缺少的一部分。支撑布置时需要注意： （1）在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。其中，纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m。
（2）由于本项目对支撑布置的位置无特殊要求，所以在第一跨设置柱间支撑，同时在设置柱间支撑的跨中设置屋盖横向支撑。又因为对于无吊车门式刚架柱间支撑的间距取30～45m，所以在不影响使用的情况下，在间距所允许范围内也要设置屋盖及柱间支撑。注意在中间柱的相应位置也应该设置柱间支撑，以保证门式刚架的整体刚度。
（3）为保证成品仓库的整体稳定，在刚架的转折处如边柱、柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶，沿房屋全长设置刚性系杆。计算时应同时计算刚性系杆的稳定和长细比。此处的刚性系杆也可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。
6 檩条的设计
檩条选用Q235级B型冷弯薄壁型钢，挠度按L/150控制。不应采用Q235A级钢，主要是由于其含碳量不能保证焊接要求。
檩条的计算采用STS软件工具箱中的简支檩条设计，相对于连续檩条的做法，按简支设计更偏于安全，屋面压型钢板为单层钢板，不考虑其对檩条上、下翼缘失稳的限制作用。注意拉条应设在檩条上翼缘1/3腹板高度范围，当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时，拉条应在檩条上下翼缘附近适当布置，即采用双拉条。拉条的设置可以有效的控制檩条的稳定，从而减少檩条的用钢量。
7 门式刚架优选方案
设计人员在确保结构安全的前提下，应尽可能的节约成本，这就要求在确定方案时既要符合建筑使用要求，又要考虑建筑建设的经济性。
门式刚架在前期方案确定时，应根据房屋高度确定合理的跨度，门式刚架适用在跨度9～36m，高度4.5～9m的地方。根据多次试算，在檐口高度、柱距、荷载均相同的条件下，适当加大跨度，刚架的用钢量增加并不明显，但释放空间，相对造价低，综合效益较为可观。
柱距应与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等相匹配，当刚架跨度较小时，选用较大的柱距，会增加檩条的用钢量。规范规定刚架柱距宜为6m、7.5m、9m，当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量变化较为平缓，而檩条、墙梁的用钢量会随着柱距增大而大幅增加，就整体结构的总用钢量而言，在一定条件下，门式刚架存在着最优柱距。通过调整计算可以得出一些优化的柱距与跨度间的关系。跨度为12～18m时，柱距宜选用6m；跨度为18～27m时，柱距宜选用7.5m；跨度为27～36m时，柱距宜选用9m。一般情况下，门式刚架的柱距应在6～9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量会大幅增加，综合造价并不经济。
参考文献
[1] 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》.（CECS102：2002）.
[2] 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》.（GB50018-2002）.
[3] 《钢结构设计规范》.（GB50017-2003）.
[4] 《建筑结构荷载规范》.（GB50009-2012）.
[5] 《建筑抗震设计规范》.（GB50011-2010）.
关键词：门式刚架；荷载；钢梁；檩条
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）05-0041-02
1 工程概况
以某工程成品仓库门式刚架为例，简要阐述轻型门式刚架结构设计的一些基本步骤和注意事项。该工程基本设计条件为抗震设防裂度为7度（设计基本地震加速度0.1g），Ⅳ类场地，基本风压0.55kN/m2 ， 地面粗糙度为B类。刚架抗震能力很强，7度设防时一般不需做抗震验算。
成品仓库全长105m，双坡双跨，单坡跨度27m，双跨总跨度54m，柱距7.5m，无吊车，檐口高度10.5m。门式刚架变形能力强可以有效的抵御地震作用，但在使用荷载作用下产生的位移较大，因此不适宜安装起重量过大的吊车，通常采用重量不大于3t的悬挂式吊车起。本项目无吊车，所以柱脚采用铰接，斜梁坡度1/15。
2 结构体系
为防止出入仓库的叉车撞击钢柱和预防雨水侵入仓库，沿厂房设置了1.2m高矮墙。钢柱下设置1.2m高，与墙等高的混凝土短柱。注意在考虑基础及短柱定位时，应事先计算上部门式刚架的钢柱尺寸，保证钢柱柱脚中心与混凝土短柱中心、基础中心重合。混凝土短柱外皮应与墙外皮对齐，同时还应考虑到轻型钢墙板的布置。
在本次成品仓库设计中，成品库建筑面积较大，超出国家防火要求，而且近期有事故表明，如果成品仓库的防火分区设置不当，当发生火灾时火情串联，难以保证人身和财产的安全，故建筑专业要求在成品库内设置防火墙，保证防火分区。考虑到门式刚架结构在受到风荷载等外部荷载时变形比较大，如把防火墙置于钢柱间，则墙体将大大阻碍门式刚架的整体变形，对整个结构不利，所以在设计时应考虑把防火墙置于钢柱外皮布置，且与钢柱间距50mm左右的距离以确保门式刚架的变形要求。在钢柱对应位置设置钢筋砼构造柱，构造柱与砌体墙之间按《砌体规范》设置拉接筋，构造柱与钢柱之间采用两块钢板，利用长螺栓孔连接，以保证砌体墙沿墙轴线方向变形自由。
3 荷载选取
3.1 屋面恒荷载
屋面梁计算恒荷载包括屋面板荷载、檩条荷载、支撑自重、风机或气楼荷载等。在檩条计算时恒荷载包括屋面板荷载、拉条自重等。本成品仓库屋面梁恒荷载经过计算取用0.3kN/m2。
根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）规定活荷载为0.5kN/m2，当受荷水平投影面积大于60m2时可乘以折减系数，此时活荷载可取0.3kN/m2，檩条计算活荷载为0.5kN/m2。计算时需要注意屋面活荷载与雪荷载不同时叠加，风荷载和地震力不同时考虑，本项目基本雪压为0.2kN/m2小于活荷载，故在计算屋面钢梁时活荷载选用0.3kN/m2，檩条活荷载选用0.5kN/m2。
3.2 风荷载
风荷载也是决定门式刚架钢梁、檩条截面和稳定的又一重要因素，需要注意的是在计算钢梁、檩条时应按照门式刚架技术规程附录A的规定分中间区，边缘带等分别进行计算，并注意基本风压要乘以1.05安全系数，这里有别于荷载规范，在取用风荷载体型系数时要注意刚架的适用条件。在风吸力作用下要考虑檩条的稳定性，当檩条下翼缘受压时要采取措施抵抗侧向位移和扭转。
4 门式刚架的计算
4.1 计算时的注意事项
成品仓库门式刚架的计算，采用PKPM系列软件的STS中门式刚架计算程序，需要注意以下几点：
（1）运用门式刚架二维设计，分别对边跨和中间跨两榀刚架进行计算，梁柱变截面构件楔率应小于60mm/m。
（2）本工程屋面坡度要求1/15，斜梁设计为楔形，外形与弯矩包络图基本保持一致。
（3）考虑运输、吊装、经济等因素，一般要求斜梁构件长度在9～12m之间，斜梁应分段采用摩擦型高强螺栓拼接，拼接点尽量设在弯矩较小处，并避开顶部檩条及腹部支撑位置。
（4）梁端设置为铰接，梁、柱的平面外计算长度取侧向支撑点的距离，当两翼缘侧向支撑点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支撑点间的距离。
（5）铰接构件设置选项中，柱脚应设置为铰接。
4.2 对于变形的控制
参数输入中输入变形参数，成品库刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条，其挠度限值为L/180。成品仓库不设置吊车且采用轻型钢墙板，所以柱顶位移设计值的限值为h/60。对于整体刚架而言，由于柱脚的嵌固作用、压型钢板的蒙皮效应等因素影响，门式刚架的实际位移一般都远小于设计值。本工程的情况刚架柱脚为铰接，若按位移控制值设计时，刚架柱顶的实际位移仅为设计值的一半左右。
4.3 设计计算中的注意事项
在设计计算中有一点需要注意，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》5.2.4侧移计算时，计算长度L=2s；而在6.1.3稳定计算时，计算长度L=s。对于这两处计算长度不同的解释是：5.2.4计算长度指侧移时摇摆柱不起作用，因此L即为全跨，四跨时L=4s；规程6.1.3计算长度指柱的稳定，摇摆柱使约束梁弯曲，且对柱的稳定有帮助，因此不论二跨还是四跨均取L=s。
5 支撑的布置
对于门式刚架整体稳定来说，支撑布置是不可缺少的一部分。支撑布置时需要注意： （1）在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。其中，纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m。
（2）由于本项目对支撑布置的位置无特殊要求，所以在第一跨设置柱间支撑，同时在设置柱间支撑的跨中设置屋盖横向支撑。又因为对于无吊车门式刚架柱间支撑的间距取30～45m，所以在不影响使用的情况下，在间距所允许范围内也要设置屋盖及柱间支撑。注意在中间柱的相应位置也应该设置柱间支撑，以保证门式刚架的整体刚度。
（3）为保证成品仓库的整体稳定，在刚架的转折处如边柱、柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶，沿房屋全长设置刚性系杆。计算时应同时计算刚性系杆的稳定和长细比。此处的刚性系杆也可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。
6 檩条的设计
檩条选用Q235级B型冷弯薄壁型钢，挠度按L/150控制。不应采用Q235A级钢，主要是由于其含碳量不能保证焊接要求。
檩条的计算采用STS软件工具箱中的简支檩条设计，相对于连续檩条的做法，按简支设计更偏于安全，屋面压型钢板为单层钢板，不考虑其对檩条上、下翼缘失稳的限制作用。注意拉条应设在檩条上翼缘1/3腹板高度范围，当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时，拉条应在檩条上下翼缘附近适当布置，即采用双拉条。拉条的设置可以有效的控制檩条的稳定，从而减少檩条的用钢量。
7 门式刚架优选方案
设计人员在确保结构安全的前提下，应尽可能的节约成本，这就要求在确定方案时既要符合建筑使用要求，又要考虑建筑建设的经济性。
门式刚架在前期方案确定时，应根据房屋高度确定合理的跨度，门式刚架适用在跨度9～36m，高度4.5～9m的地方。根据多次试算，在檐口高度、柱距、荷载均相同的条件下，适当加大跨度，刚架的用钢量增加并不明显，但释放空间，相对造价低，综合效益较为可观。
柱距应与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等相匹配，当刚架跨度较小时，选用较大的柱距，会增加檩条的用钢量。规范规定刚架柱距宜为6m、7.5m、9m，当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量变化较为平缓，而檩条、墙梁的用钢量会随着柱距增大而大幅增加，就整体结构的总用钢量而言，在一定条件下，门式刚架存在着最优柱距。通过调整计算可以得出一些优化的柱距与跨度间的关系。跨度为12～18m时，柱距宜选用6m；跨度为18～27m时，柱距宜选用7.5m；跨度为27～36m时，柱距宜选用9m。一般情况下，门式刚架的柱距应在6～9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量会大幅增加，综合造价并不经济。
参考文献
[1] 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》.（CECS102：2002）.
[2] 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》.（GB50018-2002）.
[3] 《钢结构设计规范》.（GB50017-2003）.
[4] 《建筑结构荷载规范》.（GB50009-2012）.
[5] 《建筑抗震设计规范》.（GB50011-2010）.