門式剛架設(shè)計(jì)綜述

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門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)由于采用輕型屋面．可減小梁柱截面及基礎(chǔ)尺寸，在大跨度建筑中增設(shè)中間柱做成一個(gè)屋脊的多跨大雙坡屋面，可避免內(nèi)天溝排水．中間柱可采用上下鉸接搖擺柱，具有所占空間小，構(gòu)件可全部在工廠制作，工業(yè)化程度高，構(gòu)件單元可根據(jù)運(yùn)輸條件劃分．單元之間在現(xiàn)場(chǎng)用螺栓連接，安裝方便快捷，土建施工量小等優(yōu)點(diǎn)。因此，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)普及很快。但目前專門的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位還較少．有的設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)輕鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，往往沿用傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)概念，筆者在近年來(lái)的設(shè)計(jì)中。也體會(huì)到有些方面應(yīng)加以注意，盡量把門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更合理一些。

1防火設(shè)計(jì)

現(xiàn)代工業(yè)廠房中，很多是大空間、大跨度、通透的。為了有效的把火災(zāi)控制在較小范圍內(nèi)，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》要求在建筑物內(nèi)劃分防火分區(qū)，并明文規(guī)定了各級(jí)防火分區(qū)的最大允許面積。鋼結(jié)構(gòu)廠房的承重構(gòu)件一般為鋼柱、鋼梁，建筑外表面覆以彩色壓型鋼板。根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，其柱、梁的耐火時(shí)間均為0．25～0．5小時(shí)建筑物的耐火等級(jí)僅為四級(jí)(耐火等級(jí)較低)。以設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的煤預(yù)均化堆場(chǎng)為例，其生產(chǎn)類別為丙類，規(guī)范要求的最低耐火等級(jí)為二級(jí)，這樣，輕鋼結(jié)構(gòu)廠房就達(dá)不到要求。解決的方法，可在柱、梁表面噴涂防火隔熱涂料，使其耐火時(shí)間可達(dá)1．52．5小時(shí)，這樣，建筑物的耐火等級(jí)可按二級(jí)考慮，滿足規(guī)范要求。但應(yīng)注意，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮防火涂層的重量。

2設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)則

1)剛架設(shè)計(jì)首先是材料的選擇，目前比較常用的鋼材是Q235鋼和Q345鋼。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345鋼，剛度控制時(shí)，宜使用Q235鋼。

2)剛架一般按彈性理論設(shè)計(jì)，而等截面的實(shí)腹式剛架亦可采用塑性設(shè)計(jì)。但對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)的內(nèi)力分析時(shí)，采用簡(jiǎn)單塑性理論，應(yīng)同時(shí)滿足下列三個(gè)基本條件，并遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)(GB50017-2003)的有關(guān)規(guī)定。①平衡條件：任何隔離體上的內(nèi)力和外力應(yīng)相互平衡，按不同的荷載組合求出內(nèi)力，再取其中最大者進(jìn)行設(shè)計(jì)；②全塑性彎矩條件：以截面的全塑性彎矩(Mp=Wp•fp)作為極限彎矩，在等截面構(gòu)件內(nèi)，沿構(gòu)件全長(zhǎng)所有截面內(nèi)的彎矩M<Mp；③形成機(jī)構(gòu)條件：使結(jié)構(gòu)整體或一部分形成機(jī)構(gòu)。

3)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行剛架構(gòu)件截面試算時(shí)，當(dāng)預(yù)估的截面不滿足，需加大截面時(shí)，應(yīng)該分情況區(qū)別對(duì)待。①?gòu)?qiáng)度不滿足：工字型截面受彎構(gòu)件中．腹板以受剪為主，翼緣以受彎為主。若強(qiáng)度不滿足，通常采用加大組成截面的板件厚度或采用加大腹板的高度兩種方法。其中若僅采用加大組成截面的板件厚度的方法，抗彎能力不滿足可加大翼緣厚度，抗剪能力不滿足可加大腹板厚度。如采用增大腹板高度的方法可使翼緣的抗彎能力發(fā)揮更為充分。若在增大腹板高度的同時(shí)厚度也相應(yīng)增加。則腹板耗鋼量過(guò)多，不經(jīng)濟(jì)。因而不過(guò)多增大腹板厚度而充分利用板件屈曲后的強(qiáng)度是比較合理的。需要提出的一點(diǎn)是，當(dāng)工字型截面構(gòu)件腹板受彎及受壓板幅利用屈曲后強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按有效寬度計(jì)算截面特性；②變形超限：通常不應(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會(huì)很不經(jīng)濟(jì)的。

3剛架梁、柱連接節(jié)點(diǎn)形式比較

剛架梁柱連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度．以及適當(dāng)?shù)淖冃文芰Γ瑫r(shí)要求構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工、制作、安裝方便。

3．1剛架節(jié)點(diǎn)的形式及特點(diǎn)剛架梁柱不加腋的矩形節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中高，剛度小，轉(zhuǎn)動(dòng)能力大，構(gòu)造簡(jiǎn)單：剛架梁柱加腋的矩形節(jié)點(diǎn)，加腋高度一般不超過(guò)梁高的1／2’岡0度較大，轉(zhuǎn)動(dòng)能力小，施工并不麻煩，但不太美觀。

3．2梁柱剛性連接方式及特點(diǎn)端板平放，對(duì)邊柱來(lái)說(shuō)可減少連接處的剪力，受力情況有利，連接剛度較好，構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于施工，適用于廠房高跨比較小，豎向荷載起控制作用時(shí)：對(duì)中柱來(lái)說(shuō)受力合理，構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)省螺栓．施工方便。端板豎放，連接處剪力較大、使用螺栓最多，連接剛度較差，施工亦不方便；對(duì)中柱來(lái)說(shuō)構(gòu)造復(fù)雜，所需螺栓多，施工困難。端板斜放，對(duì)邊柱來(lái)說(shuō)適用于節(jié)點(diǎn)彎矩較大時(shí)，連接剛度最好，構(gòu)造復(fù)雜。施工不方便。需要注意的是，由于多種因素的影響，各種端板連接仍不能達(dá)到理想的剛性連接。因此當(dāng)假設(shè)按剛接計(jì)算時(shí)，橫梁的撓度和柱頂水平位移宜乘以較大系數(shù)，建議取1．15。另外，平齊式端板連接剛度較小，應(yīng)限制使用，一般采用外伸式端板。為改善外伸式端板受拉螺栓的受力情況，端板外伸部分宜予以加筋。當(dāng)條件許可時(shí)，在柱節(jié)點(diǎn)域內(nèi)宜設(shè)置斜加勁筋，端板連接時(shí)，螺栓布置宜對(duì)稱、較均勻．在翼緣附近的螺栓不宜太密．中部亦不宜過(guò)疏。

4屋面板及檁條設(shè)計(jì)

現(xiàn)在不少施工圖紙檁條通常是等間距布置，檁條對(duì)屋面板是等跨支座。例如跨度15m以上的剛架多為雙坡，每坡屋面板在7．5m以上，根據(jù)檁條布置，屋面板多按5跨等跨連續(xù)梁設(shè)計(jì)，其結(jié)果是屋面板端跨的跨中彎矩比中跨的跨中彎矩大很多，按端跨跨中彎矩選用屋面板，則中跨屋面板不能充分發(fā)揮作用。對(duì)檁條的荷載又以屋面板第二支座反力為依據(jù)．第二支座反力是5跨連續(xù)板中反力最大的支座．以此反力設(shè)計(jì)檁條，此時(shí)只有屋面板第二支座的檁條能充分發(fā)揮作用，中跨支座檁條承載力富裕很多．不能充分發(fā)揮作用。為此建議檁條采用不等跨布置，檁條的布置在屋面板端跨處間距減少而中跨處間距放大，使屋面板的端跨彎矩和中間跨彎矩比較接近，或由于檁條不等跨布置使屋面板支座反力比較接近，這樣能充分發(fā)揮屋面系統(tǒng)的材料性能，降低造價(jià)。檁條設(shè)計(jì)常出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題是忽略計(jì)算檁條在風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定．導(dǎo)致檁條在風(fēng)吸力作用下很容易失穩(wěn)破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意驗(yàn)算檁條截面在風(fēng)吸力作用下是否滿足要求。檁條與剛架斜梁上翼緣連接處需注意的是不應(yīng)設(shè)單板檁托。而應(yīng)增加加勁肋檁托的作用除固定檁條，防止檁條傾覆外，尚要承受檁條因荷載偏心產(chǎn)生的扭矩。因此檁托應(yīng)有必要的剛度和承載力，以便對(duì)檁條端部提供扭轉(zhuǎn)約束。

5荷載的選用

屋面活荷載一般取為O．5kN／m，當(dāng)受荷水平投影面積超過(guò)60m。且只有一種可變荷載時(shí)．可取為0．3kN／m，雪荷載與屋面活荷載不同時(shí)考慮，取其大值計(jì)算，應(yīng)考慮積雪不均勻分布的最不利情況。風(fēng)荷載：房屋風(fēng)荷載的體型系數(shù)與房屋形狀有關(guān)，與所選結(jié)構(gòu)類型無(wú)關(guān)，一般應(yīng)采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—200lf2006年版)第7．3節(jié)中所列的風(fēng)荷載體型系數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECSl02：2o02)是根據(jù)美國(guó)金屬房屋制造商協(xié)會(huì)MBMA<低層房屋體系手冊(cè)}(1996)并經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)作出規(guī)定的，可供設(shè)計(jì)人員作為加強(qiáng)剛架個(gè)別截面和驗(yàn)算的參考。