浅谈轻型门式刚架房屋设计体会

　　摘要：轻型门式刚架结构与其它结构相比具有较大的优越性，但是它的设计还有很多问题需要讨论和进一步研究，本文简要说明了轻型门式刚架结构的一些问题及个人设计体会。
　　关键词：轻型门式刚架，荷载，支撑体系
　　
　　
　　1、引言
　　钢结构是土木工程的主要结构形式之一，与其它结构形式相比有强度高、重量轻、抗震性好、工业化程度高、工期短及综合造价低等优点。其中轻型门式刚架结构体系是近年来发展起来的新型结构体系，是指以H型钢截面门式刚架为主的横向承重结构和纵向由冷弯成型的檩条、墙梁、墙柱和屋面板、墙板及各种支撑体系组成的轻钢建筑物，优点是外形简洁美观、符合环保、工业化程度高、工期短及综合造价低。2002年国家颁布了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002(以下简称《门钢规程》)为门式刚架结构的应用和发展创造了更有利的条件。但是由于从业人员的设计与施工应验的不足，在设计中常出现一些问题，给结构的安全带来隐患并造成经济的浪费。
　　2、门式刚架结构设计特点
　　相对于传统的钢筋混凝土结构而言，钢结构具有强度高、构件尺寸小的特点。在钢结构设计过程中，设计人员考虑的首要问题是结构的整体刚度、构件的稳定性、而对于结构的强度关心则相对次要。门式刚架结构作为钢结构中特殊的一类，一般受力小、跨度大，其构件尺寸比普通钢结构更小，结构的刚度、变形及平面外稳定性常常成为控制性的因素。《门钢规程》针对钢材强度的取值只有二组，而《钢结构设计规范》GB50017-2003分为四组，又由于构件尺寸较小，前者在变形限值上较后者有所放宽。总之，轻型门式刚架结构设计不同于传统的钢筋混凝土结构设计，相对与普通钢结构设计，也有其独特的特点。
　　3、结构简图与结构形式
　　1.1门式刚架的结构形式
　　门式刚架是梁、柱单元构件的组合体。门式刚架按跨度可分为单跨、双跨和多跨;按屋面坡脊可分为单脊单坡、单脊双坡、单脊多坡。并可根据通风、采光的需求设置天窗、通风孔和采光带。
　　
　　1.2柱距、跨度及高度
　　门式刚架柱距，主要影响因素是吊车荷载或使用荷载。当无吊车或者吊车的吨位较小时，柱距可取8m~9m，当吊车的吨位较大时，柱距可取6m~7.5m。刚架的跨度主要影响因素也是荷载大小。荷载较小时，跨度宜取24~36m，荷载较大时，经济跨度在9m~24m。门式刚架的平均高度宜采用4.5~9m；当有桥式吊车时不宜大于12m。在满足室内净高的前提下，尽量降低刚架的高度，减少刚架所受风荷载。
　　4、门式刚架的荷载取值
　　门式刚架结构的主要荷载为竖向自重荷载、检修荷载和雪荷载、水平风荷载等。其中结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件（屋面、檩条、支撑、吊顶等）的自重为永久荷载。屋面雪荷载、屋面风荷载、积灰荷载、吊车荷载和检修荷载为可变荷载。
　　计算檩条和屋面板时，竖向荷载按实际取用。计算钢梁时《门钢规程》规定活荷载为0.5kN/m2，当构件的荷载面积大于60m2时可乘折减系数0.6，取值为0.3kN/m2。但应注意该活荷载是参考美国规范ASCE-95的规定对活荷载0.5kN/m2乘以0.6的折减系数得到的，当雪荷载大于0.5kN/m2时，乘以0.6的折减系数应该大于0.3kN/m2，如果还取0.3kN/m2是不合适的。风荷载取值时一般不小于1.5倍的当地基本风压值。风荷载体型系数在《门钢规程》中，分别为刚架、屋面板、檩条等5类，给出了不同的分荷载体型系数，并与《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中给出的体型系数有较大的差别（见图2及图3）。
　　图2建筑结构荷载规范
　　
　　图3门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
　　
　　建筑
　　类型 分区
　　 端区 中间区
　　 1E 2E 3E 4E 5E 6E 1 2 3 4 5 6
　　封闭式 +0.50 -1.40 -0.80 -0.70 +0.90 -0.30 +0.25 -1.00 -0.65 -0.55 +0.65 -0.15
　　部分
　　封闭式 +0.10 -1.80 -1.20 -1.10 +1.10 -0.20 -0.15 -1.40 -1.05 -0.95 +0.75 -0.65
　　5、支撑体系
　　《门钢规程》中规定：⑴柱间支撑间距，当无吊车时宜取30~45m；当设有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m，温度区段端部仅设上柱支撑；⑵当建筑物宽度大于60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑；⑶当设有驾驶室且起重量大于15t桥式吊车时，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架；⑷屋面水平支撑和无吊车的柱间支撑可用带张紧装置十字交叉圆钢（按拉杆设计），特别注意交叉支撑间须设置刚性压杆；⑸当设有5t以上桥式吊车时，宜采用型钢支撑；⑹屋面支撑与柱间支撑应设置在同一开间，以构成几何不变体系；⑺在刚架的转折处（屋脊、柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆（按压杆设计）。
　　布置支撑体系时应考虑压型板的应力蒙皮作用，使维护结构参与整个结构体系的工作，从而增加结构整体刚度，减少支撑杆件的布置。当屋面需通风采光时，采用通风换气装置和与压型板板型相同的玻璃钢采光平窗或玻璃的钢球形点式采光窗，取代设置突出屋面的通长天窗的传统做法，避免天窗洞口对应力蒙皮作用的削弱，保证屋面整体刚度。墙面面积开窗及窗台下防撞砌体墙，使墙面很难形成有效的蒙皮作用，为保证结构纵向稳定和传递水平力，需设置柱间支撑。建筑物较短时，柱间支撑设于两端部开间，建筑物较长则设于两端第二开间，当支撑间距大于60m时宜增设支撑。
　　6、其它问题
　　轻型门式刚架一般用于跨度≤36m，柱距≤12m，柱高≤12m的房屋，当跨度及荷载较大时宜用变截面实腹式或格构式刚架；房屋山墙处宜设带抗风柱的抗风结构，端柱间应有可靠的连接保证纵向水平力的传递。抗风柱与钢梁的连接应采用弹性连接。（见图4）刚架常用坡度1/3~1/20。刚架坡度取决于建筑造型，屋面材料及排水要求。屋面采用长尺压型板，且搭接部位用胶条及螺丝等有效措施时，坡度可以很平且不漏水（可达1/45）。
　　图4抗风柱与钢梁连接节点
　　
　　梁柱拼接宜用摩擦型高强螺栓；考虑运输的方便，大跨梁拼接应设于弯矩较小处，用螺栓连接，以增加结构整体刚度；节点处应设必要的加劲肋保证其强度及刚度，此节点尚需做防锈处理。根据防火等级在构件表面涂防火涂料，涂防火涂料的构件应在涂面漆后进行防火涂料的涂装，钢构件所用涂装材料应具有质量合格证书，并符合设计文件的要求和国家现行有关标准的规定。钢构件应在除锈后4个小时内刷8mm厚无机富锌底漆。
　　檩条及墙梁作为刚架侧向支撑点，为保证刚架侧向刚度和稳定性，应有可靠的连接。安装时拧紧连接螺栓后宜加点焊；檩条间宜设拉条与撑杆；当檩条（墙梁）跨度较大或刚架梁柱内翼缘需设侧向支撑点时，宜设角隅撑与刚架梁柱内翼缘相连，从而保证刚架的侧向稳定和刚度。
　　7、设计软件的使用
　　现在各种软件的使用使设计人员省去了很多繁琐的人工计算，但是任何认为软件计算结果一定正确的思想都是不可取的，将结构知识与软件结合起来，才能保证计算结果的可靠性。软件使用者应有较丰富的结构知识，来判断计算结果的合理性和可靠性。软件计算结果的正确是建立在设计人员前期模型的建立符合实际，荷载的取值正确，参数的设置合理的基础上的。例如：在刚架的设计中，应注意杆件相连节点在设计软件中的定义，若将某些刚节点定义为铰接点，体系可能成为可变体系，而程序仍然计算，由此会造成严重的后果。
　　8、结语
　　轻型门式刚架结构是近年来中国建筑工业出现的较为流行的新型结构形式。轻型门式刚架与其它结构相比有强度高、重量轻、抗震性好、工业化程度高、工期短及综合造价低等优点。需要设计师在工作实践中积累经验，将门式刚架结构设计做的更合理，更安全。

《浅谈轻型门式刚架房屋设计体会》

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