門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計趙曉陽，苗 春（城市建設(shè)研究院，北京 100120）摘 要：輕型鋼結(jié)構(gòu)以其施工速度快、建筑造型美觀、鋼材用量少、造價低廉等優(yōu)勢，越來越受國內(nèi)外建筑商所青睞。而門式剛架結(jié) 構(gòu)體系作為輕型鋼結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)形式，伴隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居住和公共建筑，其發(fā)展是相當(dāng)迅速的。 在以往的工程項目設(shè)計中通過比選方案，該結(jié)構(gòu)形式經(jīng)常被選擇采用。關(guān)鍵詞：門式剛架；荷載；鋼梁；檁條中圖分類號：TU391 文獻標(biāo)識碼

2、：A 文章編號：1671-3362（2013）05-0041-021 工程概況 以某工程成品倉庫門式剛架為例，簡要闡述輕型門式剛架 結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些基本步驟和注意事項。該工程基本設(shè)計條件為 抗震設(shè)防裂度為 7 度（設(shè)計基本地震加速度 0.1g），Ⅳ類場地， 基本風(fēng)壓 0.55kN/m2 , 地面粗糙度為 B 類。剛架抗震能力很強， 7 度設(shè)防時一般不需做抗震驗算。 成品倉庫全長 105m，雙坡雙跨，單坡跨度 27m

3、，雙跨總 跨度 54m，柱距 7.5m，無吊車，檐口高度 10.5m。門式剛架變 形能力強可以有效的抵御地震作用，但在使用荷載作用下產(chǎn)生 的位移較大，因此不適宜安裝起重量過大的吊車，通常采用重 量不大于 3t 的懸掛式吊車起。本項目無吊車，所以柱腳采用 鉸接，斜梁坡度 1/15。 2 結(jié)構(gòu)體系 為防止出入倉庫的叉車撞擊鋼柱和預(yù)防雨水侵入倉庫，沿 廠房設(shè)置了 1.2m 高矮墻。鋼柱下設(shè)置 1.2m 高，與墻等高的混

4、 凝土短柱。注意在考慮基礎(chǔ)及短柱定位時，應(yīng)事先計算上部門 式剛架的鋼柱尺寸，保證鋼柱柱腳中心與混凝土短柱中心、基 礎(chǔ)中心重合?；炷炼讨馄?yīng)與墻外皮對齊，同時還應(yīng)考慮 到輕型鋼墻板的布置。 在本次成品倉庫設(shè)計中，成品庫建筑面積較大，超出國家 防火要求，而且近期有事故表明，如果成品倉庫的防火分區(qū)設(shè) 置不當(dāng)， 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時火情串聯(lián)， 難以保證人身和財產(chǎn)的安全， 故建筑專業(yè)要求在成品庫內(nèi)設(shè)置防火墻，保證防火分區(qū)。考慮 到門式

5、剛架結(jié)構(gòu)在受到風(fēng)荷載等外部荷載時變形比較大，如把 防火墻置于鋼柱間，則墻體將大大阻礙門式剛架的整體變形， 對整個結(jié)構(gòu)不利，所以在設(shè)計時應(yīng)考慮把防火墻置于鋼柱外皮 布置，且與鋼柱間距 50mm 左右的距離以確保門式剛架的變形 要求。在鋼柱對應(yīng)位置設(shè)置鋼筋砼構(gòu)造柱，構(gòu)造柱與砌體墻之 間按《砌體規(guī)范》設(shè)置拉接筋，構(gòu)造柱與鋼柱之間采用兩塊鋼 板， 利用長螺栓孔連接， 以保證砌體墻沿墻軸線方向變形自由。 3 荷載選取 3.1 屋面

6、恒荷載 屋面梁計算恒荷載包括屋面板荷載、 檁條荷載、 支撐自重、 風(fēng)機或氣樓荷載等。在檁條計算時恒荷載包括屋面板荷載、拉 條自重等。本成品倉庫屋面梁恒荷載經(jīng)過計算取用 0.3kN/m 2。 根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）規(guī)定活荷載為 0.5kN/m2，當(dāng)受荷水平投影面積大于 60m2 時可乘以折減系數(shù)，此時活荷載可取 0.3kN/m 2，檁條計算活荷 載為 0.5kN/m 2。計算時需要注意屋

7、面活荷載與雪荷載不同時疊 加，風(fēng)荷載和地震力不同時考慮，本項目基本雪壓為 0.2kN/m 2 小于活荷載，故在計算屋面鋼梁時活荷載選用 0.3kN/m 2，檁條 活荷載選用 0.5kN/m 2。 3.2 風(fēng)荷載 風(fēng)荷載也是決定門式剛架鋼梁、檁條截面和穩(wěn)定的又一重 要因素，需要注意的是在計算鋼梁、檁條時應(yīng)按照門式剛架技 術(shù)規(guī)程附錄 A 的規(guī)定分中間區(qū)，邊緣帶等分別進行計算，并 注意基本風(fēng)壓要乘以 1.05 安全系數(shù)，這里有別于

8、荷載規(guī)范， 在取用風(fēng)荷載體型系數(shù)時要注意剛架的適用條件。在風(fēng)吸力作用下要考慮檁條的穩(wěn)定性，當(dāng)檁條下翼緣受壓時要采取措施抵 抗側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。 4 門式剛架的計算 4.1 計算時的注意事項 成品倉庫門式剛架的計算，采用 PKPM 系列軟件的 STS 中 門式剛架計算程序，需要注意以下幾點： （1）運用門式剛架二維設(shè)計，分別對邊跨和中間跨兩榀 剛架進行計算，梁柱變截面構(gòu)件楔率應(yīng)小于 60mm/m。（2）本工程屋面坡度要求

9、1/15，斜梁設(shè)計為楔形，外形 與彎矩包絡(luò)圖基本保持一致。 （3）考慮運輸、吊裝、經(jīng)濟等因素，一般要求斜梁構(gòu)件 長度在 9 ～ 12m 之間，斜梁應(yīng)分段采用摩擦型高強螺栓拼接， 拼接點盡量設(shè)在彎矩較小處， 并避開頂部檁條及腹部支撐位置。 （4）梁端設(shè)置為鉸接，梁、柱的平面外計算長度取側(cè)向 支撐點的距離，當(dāng)兩翼緣側(cè)向支撐點間的距離不等時，應(yīng)取最 大受壓翼緣側(cè)向支撐點間的距離。 （5）鉸接構(gòu)件設(shè)置選項中，柱腳應(yīng)設(shè)置為鉸接。 4.2

10、 對于變形的控制 參數(shù)輸入中輸入變形參數(shù)，成品庫剛架斜梁僅支承壓型 鋼板屋面和冷彎型鋼檁條，其撓度限值為 L/180。成品倉庫不 設(shè)置吊車且采用輕型鋼墻板，所以柱頂位移設(shè)計值的限值為 h/60。對于整體剛架而言，由于柱腳的嵌固作用、壓型鋼板的 蒙皮效應(yīng)等因素影響，門式剛架的實際位移一般都遠小于設(shè)計 值。本工程的情況剛架柱腳為鉸接，若按位移控制值設(shè)計時， 剛架柱頂?shù)膶嶋H位移僅為設(shè)計值的一半左右。 4.3 設(shè)計計算中的注意事項

11、在設(shè)計計算中有一點需要注意，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié) 構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.2.4 側(cè)移計算時，計算長度 L=2s；而在 6.1.3 穩(wěn) 定計算時，計算長度 L=s。對于這兩處計算長度不同的解釋是：5.2.4 計算長度指側(cè)移時搖擺柱不起作用，因此 L 即為全跨， 四跨時 L=4s；規(guī)程 6.1.3 計算長度指柱的穩(wěn)定，搖擺柱使約束 梁彎曲，且對柱的穩(wěn)定有幫助，因此不論二跨還是四跨均取 L=s。 5 支撐的布置 對于門式剛架整體穩(wěn)定來

12、說，支撐布置是不可缺少的一部 分。支撐布置時需要注意： （1）在每個溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置 能獨立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。其中，縱向溫度區(qū)段小 于 300m，橫向溫度區(qū)段小于 150m。（2）由于本項目對支撐布置的位置無特殊要求，所以在 第一跨設(shè)置柱間支撐，同時在設(shè)置柱間支撐的跨中設(shè)置屋蓋橫 向支撐。又因為對于無吊車門式剛架柱間支撐的間距取 30 ～ 45m，所以在不影響使用的情況下，在間距所允許范圍

13、內(nèi)也要 設(shè)置屋蓋及柱間支撐。注意在中間柱的相應(yīng)位置也應(yīng)該設(shè)置柱 間支撐，以保證門式剛架的整體剛度。 （3） 為保證成品倉庫的整體穩(wěn)定， 在剛架的轉(zhuǎn)折處如邊柱、柱頂、 屋脊及多跨剛架的中柱柱頂， 沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。 計算時應(yīng)同時計算剛性系桿的穩(wěn)定和長細比。此處的剛性系桿（下轉(zhuǎn)第48頁）CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTURE 41中國建筑金屬結(jié)構(gòu) 第伍期（下） 貳零壹叁年肆月位置，吊裝點設(shè)置在鋼柱

14、柱腳位置以輔助鋼柱起吊。兩臺吊車 同時起吊，速率相同，待柱腳離地后，輔助吊車暫停起高，主 吊車?yán)^續(xù)起高，輔助吊車緩慢旋轉(zhuǎn)，慢慢移動直至鋼柱完全垂 直于地面后，撤掉輔助吊車。主吊車?yán)^續(xù)緩慢旋轉(zhuǎn)作業(yè)，將鋼 柱吊至安裝位，緩慢落在基礎(chǔ)上，在此過程中人工輔助將鋼柱 柱腳地腳螺栓口與基礎(chǔ)地腳螺栓對齊找正。鋼柱基本就位后， 再利用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀通過調(diào)整柱腳墊鐵將鋼柱進行精找正， 確保鋼柱標(biāo)高、軸線、垂直度符合要求后將地腳螺栓擰緊，將 墊鐵焊接固定，

15、并在鋼柱四周設(shè)置四條纜風(fēng)繩固定好，再次確 認(rèn)安裝質(zhì)量和安全后，主吊車松鉤。另一側(cè)用同樣的方法將鋼 柱安裝就位，最后進行基礎(chǔ)灌漿。 （2）底部橫梁安裝。底部三根大梁即分解構(gòu)件 3、分解 構(gòu)件 4、分解構(gòu)件 5 依次利用吊車安裝就位。 （3） 鋼柱上部結(jié)構(gòu)安裝。 下段鋼柱、 主橫梁安裝完成后， 整個結(jié)構(gòu)已具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，此時進行左側(cè)上部主鋼柱安裝就 位，安裝過程利用儀器不斷調(diào)整，確保鋼柱的垂直度。 （4）上部支撐柱及次梁安裝。上部次

16、梁及支撐柱安裝采 用組合式安裝方法，即將小鋼柱及次梁組裝成井字形，一次性 安裝就位、焊接。2.2.3 鋼架 1 安裝 鋼架 1 采用與鋼架 2 相同的安裝方法， 先進行鋼柱的安裝， 再進行鋼梁的安裝，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后再進行上部組合件的安裝。流 程如下：鋼架 1 東側(cè)柱安裝→鋼架 1 與鋼架 2 間第一層平臺梁 安裝→鋼架 1 與鋼架 2 間第二層平臺梁安裝→鋼架 1 西側(cè)柱安 裝→鋼架 1 西側(cè)柱與鋼

17、架 2 間第一層平臺梁安裝→鋼架 1 西側(cè) 柱與鋼架 2 間第二層平臺梁安裝→鋼架 1 間各層平臺梁焊接。2.2.4 安裝其他平臺梁及支撐構(gòu)件 兩榀鋼架安裝完成后自下而上逐步安裝其他平臺梁及支撐 構(gòu)件。 3 結(jié)語 現(xiàn)階段， 為適應(yīng)市場， 越來越多的設(shè)施需要不斷改造、 建設(shè)， 但往往受制于前期廠房、生產(chǎn)條件的限制，特別是像文中提到 的在原有鋼結(jié)構(gòu)廠房內(nèi)安裝大型鋼架的情況已經(jīng)非常普遍，這 種施工難度特別大的工程要求是施工

18、單位具有的技術(shù)能力同樣 很高。因此，這種大型構(gòu)件的分解組合的合理性對施工進度及 成本影響巨大，我們通過 Tekla 軟件將原設(shè)計深化加工、分解 重組能有效的降低成本，縮短工期并取得了較大的經(jīng)濟效益。 （編輯：蔣東旭）圖 5 安裝中的鋼架 2 圖 6 鋼架 1 東側(cè)鋼柱吊裝（2）下段大鋼柱和兩顆鋼柱間的鋼梁即分解構(gòu)件 3、分 解構(gòu)件 4 安裝后，在現(xiàn)場組裝平臺上將小鋼柱及鋼梁進行拼接 組裝成分解構(gòu)件 5 進行安裝。

19、考慮到生產(chǎn)時間及安裝時間的矛 盾，確定將分解構(gòu)件 4 上側(cè)的四根鋼梁及兩根支撐立柱組合成 井字形整體，一次吊裝就位。2.2.2 鋼架 2 組裝件安裝 構(gòu)件安裝的一般原則：離施工現(xiàn)場入口由遠及近、自下而 上的順序?qū)Ω呖缈蚣苓M行安裝，安裝工藝流程如圖 7 所示。圖 7 鋼柱現(xiàn)場安裝工藝流程圖（1）鋼柱安裝。下段鋼柱重達 168t，安裝需要兩臺吊車 配合吊裝。主吊車設(shè)置在基礎(chǔ)位置，主鉤吊裝點設(shè)置在鋼柱頂 部用于鋼柱吊裝、起高

20、。輔助吊車設(shè)置在現(xiàn)場組合鋼柱的柱腳（上接第41頁）也可由檁條兼做，此時檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H 型鋼或其他截面 形式的桿件。 6 檁條的設(shè)計檁條選用 Q235 級 B 型冷彎薄壁型鋼，撓度按 L/150 控制。 不應(yīng)采用 Q235A 級鋼， 主要是由于其含碳量不能保證焊接要求。檁條的計算采用 STS 軟件工具箱中的簡支檁條設(shè)計，相對 于連續(xù)檁條的做法，按簡支設(shè)計更偏于安全，

21、屋面壓型鋼板為 單層鋼板，不考慮其對檁條上、下翼緣失穩(wěn)的限制作用。注意 拉條應(yīng)設(shè)在檁條上翼緣 1/3 腹板高度范圍，當(dāng)在風(fēng)吸力作用下 檁條下翼緣受壓時，拉條應(yīng)在檁條上下翼緣附近適當(dāng)布置，即 采用雙拉條。拉條的設(shè)置可以有效的控制檁條的穩(wěn)定，從而減 少檁條的用鋼量。 7 門式剛架優(yōu)選方案設(shè)計人員在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下， 應(yīng)盡可能的節(jié)約成本， 這就要求在確定方案時既要符合建筑使用要求，又要考慮建筑 建設(shè)的經(jīng)濟性。門式剛架在前期方案確定時，應(yīng)

22、根據(jù)房屋高度確定合理的 跨度，門式剛架適用在跨度 9 ～ 36m，高度 4.5 ～ 9m 的地方。 根據(jù)多次試算，在檐口高度、柱距、荷載均相同的條件下，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加并不明顯，但釋放空間，相對造價低，綜合效益較為可觀。 柱距應(yīng)與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等相匹配，當(dāng)剛架跨度較小時，選用較大的柱距，會增加檁條的用鋼量。規(guī) 范規(guī)定剛架柱距宜為 6m、7.5m、9m，當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值 后，剛架用鋼量變化較為

23、平緩，而檁條、墻梁的用鋼量會隨著 柱距增大而大幅增加，就整體結(jié)構(gòu)的總用鋼量而言，在一定條 件下，門式剛架存在著最優(yōu)柱距。通過調(diào)整計算可以得出一些 優(yōu)化的柱距與跨度間的關(guān)系?？缍葹?12 ～ 18m 時，柱距宜選 用 6m；跨度為 18 ～ 27m 時，柱距宜選用 7.5m；跨度為 27 ～ 36m 時，柱距宜選用 9m。一般情況下，門式剛架的柱距應(yīng)在6 ～ 9m 之間，超過 9m 時，屋面檁條與墻架體系的用