門式剛架輕型鋼結構設計

1、門式剛架輕型鋼結構設計趙曉陽，苗 春（城市建設研究院，北京 100120）摘 要：輕型鋼結構以其施工速度快、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 構體系作為輕型鋼結構的一種結構形式，伴隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，廣泛應用于工業(yè)、居住和公共建筑，其發(fā)展是相當迅速的。 在以往的工程項目設計中通過比選方案，該結構形式經(jīng)常被選擇采用。關鍵詞：門式剛架；荷載；鋼梁；檁條中圖分類號：TU391 文獻標識碼

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 結構設計的一些基本步驟和注意事項。該工程基本設計條件為 抗震設防裂度為 7 度（設計基本地震加速度 0.1g），Ⅳ類場地， 基本風壓 0.55kN/m2 , 地面粗糙度為 B 類。剛架抗震能力很強， 7 度設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 結構體系 為防止出入倉庫的叉車撞擊鋼柱和預防雨水侵入倉庫，沿 廠房設置了 1.2m 高矮墻。鋼柱下設置 1.2m 高，與墻等高的混

4、 凝土短柱。注意在考慮基礎及短柱定位時，應事先計算上部門 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 礎中心重合?；炷炼讨馄c墻外皮對齊，同時還應考慮 到輕型鋼墻板的布置。 在本次成品倉庫設計中，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 置不當， 當發(fā)生火災時火情串聯(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)設置防火墻，保證防火分區(qū)?？紤] 到門式

5、剛架結構在受到風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， 對整個結構不利，所以在設計時應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。在鋼柱對應位置設置鋼筋砼構造柱，構造柱與砌體墻之 間按《砌體規(guī)范》設置拉接筋，構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構技術規(guī)程》（CECS102：2002）規(guī)定活荷載為 0.5kN/m2，當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 風荷載 風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、檁條時應按照門式剛架技 術規(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， 在取用風荷載體型系數(shù)時要注意剛架的適用條件。在風吸力作用下要考慮檁條的穩(wěn)定性，當檁條下翼緣受壓時要采取措施抵 抗側向位移和扭轉。 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計，分別對邊跨和中間跨兩榀 剛架進行計算，梁柱變截面構件楔率應小于 60mm/m。（2）本工程屋面坡度要求

9、1/15，斜梁設計為楔形，外形 與彎矩包絡圖基本保持一致。 （3）考慮運輸、吊裝、經(jīng)濟等因素，一般要求斜梁構件 長度在 9 ～ 12m 之間，斜梁應分段采用摩擦型高強螺栓拼接， 拼接點盡量設在彎矩較小處， 并避開頂部檁條及腹部支撐位置。 （4）梁端設置為鉸接，梁、柱的平面外計算長度取側向 支撐點的距離，當兩翼緣側向支撐點間的距離不等時，應取最 大受壓翼緣側向支撐點間的距離。 （5）鉸接構件設置選項中，柱腳應設置為鉸接。 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 設置吊車且采用輕型鋼墻板，所以柱頂位移設計值的限值為 h/60。對于整體剛架而言，由于柱腳的嵌固作用、壓型鋼板的 蒙皮效應等因素影響，門式剛架的實際位移一般都遠小于設計 值。本工程的情況剛架柱腳為鉸接，若按位移控制值設計時， 剛架柱頂?shù)膶嶋H位移僅為設計值的一半左右。 4.3 設計計算中的注意事項

11、在設計計算中有一點需要注意，《門式剛架輕型房屋鋼結 構技術規(guī)程》5.2.4 側移計算時，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)段或分期建設的區(qū)段中，應分別設置 能獨立構成空間穩(wěn)定結構的支撐體系。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 第一跨設置柱間支撐，同時在設置柱間支撐的跨中設置屋蓋橫 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 設置屋蓋及柱間支撐。注意在中間柱的相應位置也應該設置柱 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， 沿房屋全長設置剛性系桿。 計算時應同時計算剛性系桿的穩(wěn)定和長細比。此處的剛性系桿（下轉第48頁）CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTURE 41中國建筑金屬結構 第伍期（下） 貳零壹叁年肆月位置，吊裝點設置在鋼柱

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 吊車繼續(xù)起高，輔助吊車緩慢旋轉，慢慢移動直至鋼柱完全垂 直于地面后，撤掉輔助吊車。主吊車繼續(xù)緩慢旋轉作業(yè)，將鋼 柱吊至安裝位，緩慢落在基礎上，在此過程中人工輔助將鋼柱 柱腳地腳螺栓口與基礎地腳螺栓對齊找正。鋼柱基本就位后， 再利用水準儀、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、并在鋼柱四周設置四條纜風繩固定好，再次確 認安裝質(zhì)量和安全后，主吊車松鉤。另一側用同樣的方法將鋼 柱安裝就位，最后進行基礎灌漿。 （2）底部橫梁安裝。底部三根大梁即分解構件 3、分解 構件 4、分解構件 5 依次利用吊車安裝就位。 （3） 鋼柱上部結構安裝。 下段鋼柱、 主橫梁安裝完成后， 整個結構已具備穩(wěn)定的結構，此時進行左側上部主鋼柱安裝就 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，結構穩(wěn)定后再進行上部組合件的安裝。流 程如下：鋼架 1 東側柱安裝→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 西側柱安 裝→鋼架 1 西側柱與鋼

17、架 2 間第一層平臺梁安裝→鋼架 1 西側 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 構件。 3 結語 現(xiàn)階段， 為適應市場， 越來越多的設施需要不斷改造、 建設， 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 的在原有鋼結構廠房內(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、單位具有的技術能力同樣 很高。因此，這種大型構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 東側鋼柱吊裝（2）下段大鋼柱和兩顆鋼柱間的鋼梁即分解構件 3、分 解構件 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，確定將分解構件 4 上側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 上的順序對高跨框架進行安裝，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。主吊車設置在基礎位置，主鉤吊裝點設置在鋼柱頂 部用于鋼柱吊裝、起高

20、。輔助吊車設置在現(xiàn)場組合鋼柱的柱腳（上接第41頁）也可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H 型鋼或其他截面 形式的桿件。 6 檁條的設計檁條選用 Q235 級 B 型冷彎薄壁型鋼，撓度按 L/150 控制。 不應采用 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計，相對 于連續(xù)檁條的做法，按簡支設計更偏于安全，

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 拉條應設在檁條上翼緣 1/3 腹板高度范圍，當在風吸力作用下 檁條下翼緣受壓時，拉條應在檁條上下翼緣附近適當布置，即 采用雙拉條。拉條的設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)選方案設計人員在確保結構安全的前提下， 應盡可能的節(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 建設的經(jīng)濟性。門式剛架在前期方案確定時，應

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。 柱距應與剛架的跨度、屋面荷載、檁條形式等相匹配，當剛架跨度較小時，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，就整體結構的總用鋼量而言，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，門式剛架的柱距應在6 ～ 9m 之間，超過 9m 時，屋面檁條與墻架體系的用