门式刚架轻型结构设计浅谈

【关键词】 门式刚架 轻钢结构 特点 设计与施工 

　　门式刚架轻钢结构是以门形钢架为结构受力载体，围护结构为薄壁C型或Z型钢檩条和彩色压型钢板的体系。本文通过对门式刚架轻型结构的设计与设计中应注意的问题作如下初步分析和探讨。 

　　正文 

　　一、门式刚架轻钢结构的特点 

　　（一）用钢量少，自重量轻 

　　门式刚架轻钢结构采用防水、围护一体化的轻质多功能新型屋面和墙体材料组成，大大减轻了结构本身的荷载重量。其承重构件普遍采用高强钢材，这样可以有效减轻结构自重。通常门式钢架轻钢结构的重量只有钢筋混凝土结构的1/8——1/10，是普通钢结构重量的1/2——1/3，充分体现了新材料的优势。 

　　（二）适应性强，设计符合美观、经济、实用的原则 

　　相对于传统的钢架结构而言，门式刚架轻钢结构从跨度、柱距布置灵活，单跨、多跨等方面可随意组合。这些组合可应用于不同工艺、不同规模、不同用途的各类建筑中，表现出了极大的适应能力。钢架结构一方面外观新颖别致，可塑性极强，富有时代感；另一方面造价合理，投资见效快，综合经济效益好，空间使用率高，在各个建筑施工中基本都可以使用。 

　　（三）钢架结构施工速度快、周期短 

　　工厂化程度高，施工周期短钢结构制作简便，因门式刚架的梁、柱等基本构件均在加工厂定型制作，在现场按要求拼装而成，加快了施工进度，建设周期缩短，比钢筋混凝土排架结构工期至少缩短60%以上，对于一般规模较小的工业厂房门式刚架仅需50天至2个月，而采用钢筋混凝土排架结构，则需10～12个月。 

　　（四）门式刚架的防火钢结构具有独特的优越性，钢材虽非燃烧材料，却易导热，其耐火极限仅为15～20分钟。未加防火保护的钢结构，当温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别降低1/3、1/2、2/3，当结构温度达到600℃以上时，将完全丧失承载能力，最典型的例子莫过于2001年的美国纽约世界贸易大厦遭袭击后引起高温燃烧，两幢420m高的钢结构大楼轰然倒塌。现阶段主要从防火设计和对结构的防火保护措施两方面入手，可在柱、梁表面覆盖以1.5cm厚的LG防火隔热涂料或2cm厚的LY防火隔热涂料保护层，其耐火时间可达1.5～2.3小时，满足规范要求。 

　　二、设计中应考虑的因素 

　　（一）严格荷载取值标准的规定 

　　1 钢架恒荷载 

　　钢架自重一般都由软件统计生成，而屋面板、檩条、支撑等荷载按线荷载加到钢架梁上要按实际设计计算，根据使用要求屋面或墙面板可单层板也可采用保温板，保温材料又包括聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等，设计中应结合具体材料确定屋面与墙面荷载。 

　　2 钢架可变荷载 

　　可变荷载包括屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等.《门式钢架轻钢结构技术规程》（CECS102：2002）中规定：不上人屋面的活荷载为0.5kN/M2，如果钢架的受荷载面积大于60M2的可乘折减系数0.6。对于门式钢架而言，在计算钢架时一般可用0.3kN/M2。根据国外资料，门式轻钢结构，一般要考虑0.15——0.5kN/M2的附加荷载，而在我国现行的规范中无此规定，所以如遇到暴风雪等情况，就会出安全问题，因此在梁和檩条已较小的门式轻钢钢架中，禁止出现明显克扣活荷载的情况。 

　　（二）优化设计，尽量减少用钢量 

　　必须按照《门式钢架轻钢结构技术规程》（CECS102：2002）进行设计计算，而不能沿用《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行门式钢架轻钢结构的设计计算。在门式钢架中，主钢架和檩条的用钢量占90%以上，在相同的荷载条件下，柱网布置对主钢架和檩条的用钢量影响很大。经多个统计分析表明，建议柱距采用6——8m，跨度不宜大于36m。檩条要选用薄壁宽肢的C型、Z型，而钢架一般采用H型截面。当荷载一定时，连续支承构件比简支构件的截面要小，因此在轻型门式钢架中屋面檩条和墙面檩梁均宜采用连续支承方式。实践证明，楔形构件和变截面构件上网使用，加上变化翼缘厚度和腹板厚度，可显著节省钢材。薄壁型钢规范是不考虑屋面蒙皮作用，从而造成计算结果很不经济。压型钢板屋面蒙皮作用对檩条上翼缘提供侧向支撑是不成问题的，但对檩条下翼缘失稳承载力的影响，对这类问题尚无计算方法可行，但是国内外的试验表明屋面蒙皮作用对檩条下翼缘扭转失稳的约束是非常明显的。另外设计中要注意版型的选取和包角屋脊的设计。 

　　三、门式刚架设计常见质量问题及预防措施 

　　（一）梁、柱拼接节点设计 

　　梁、柱拼接节点一般按刚接节点计算，但往往由于端部封板较簿而导致与计算有较大出入，故应严格控制封板厚，以保证端板有足够刚度。有的设计斜梁与柱按刚接计算而实际工程则把钢柱省去，把斜梁支承在钢筋混凝土柱或砖柱上，造成工程事故，设计时应注意把节点构造表达清楚，节点构造一定要与计算相符。多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱和斜梁焊死致使计算简图与实际构造不符，造成工程事故。有的工程在门式刚架斜梁拼接时，把翼缘和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工隐患，设计拼接接头时翼缘接头和腹板接头一定要错开。门式刚架斜梁和钢柱的翼缘板或腹板可以变厚度，但有的单位翼缘板由20mm突然变成8mm，相邻板突变对受力很不利，设计时应逐步变薄，一般以2mm至4mm板厚的级差变化为宜。 　　（二）檩条设计 

　　檩条设计常忽略在风吸力作用下的稳定，导致大风吸力作用下很容易失稳破坏，设计时应注意验算檩条截面在风吸力作用下是否满足要求。有的单位檩条设计时只简单要求镀锌，没有提出镀锌方法镀锌量，故施工单位用电镀，造成工程尚未完成，檩条已生锈，设计时要提出宜采用热镀锌带钢压制而成的翼缘，并提出镀锌量要求。隅撑的位置和檩条和拉条的设置是保证整体稳定的重要措施，有的工程设计把它们取消，可能造成工程隐患。檩条和屋面金属板要根据支承条件和荷载情况进行选用，但其塔接长度不少单位没有经过试验确定，而塔接长度和连接难于满足连续梁的条件。在设计时，要强调若采用连续的檩条和墙梁，其塔接长度要经试验确定，也应注意在温度变化和支座不均匀沉降下可能出现的隐患。设计时应在图纸标明支座的具体做法，总说明应强调施工单位不得任意更改。 

　　（三）柱间支撑设计 

　　是否加柱间支撑要视情况而定。一般情况下，如摇摆柱平面外连接为铰接，则为了不让摇摆柱形成平面外不稳体系，这时加柱间支撑可形成稳定体系同时也减少了平面外的计算长度，比较经济。还有一种比较典型的情况，就是当计算考虑蒙皮效应时，可不加柱间支撑，摇摆柱的平面外计算长度可根据有限元分析算，属于空间范畴，一般程序无法考虑，同时对支撑体系的要求也很大，需根据计算定。 

　　（四）柱脚螺栓设计 

　　不管门式刚架跨度多大，柱脚螺栓均按最小直径M20选用，造成工程事故。锚栓应按最不利的工况进行计算，并应考虑与柱脚的刚度相称，还要考虑相关的不利因素影响，建议参考本措施：一般当刚架跨度：小于等于18m采用2个M24；小于等于27m采用4个M24；大于等于30m采用4个M30，采用固接柱脚较为合理。此外柱脚底板下如采用剪力键，或有空隙，在安装完成时，一定要用灌浆料填实，注意底板设计时一定要有灌浆孔。 

　　（五）吊装安全说明 

　　有的门式刚架安装时没有采取临时措施保证门式刚架侧向稳定，造成安装过程门式刚架倒地，建议在设计总说明中应写明对门式刚架安装的要求。 

　　结束语 

　　总之，在门式钢架轻钢结构的工程中，首先必须做好优化设计工作，然后合理布置，做到结构设计准确、细部处理周到。施工中要严格控制进场材料的质量，把好钢构件的加工制作关，控制好土建施工和钢构安装质量，关键部位实施旁站监理，保证创建优质工程. 

　　参考文献 

　　[1] CECS 102： 2002门式钢架轻钢结构技术规程[S] 

　　[2] GB 50009-2001建筑结构荷载规范[S] 

　　[3] GB 50017-2003钢结构设计规范[S] 

　　[4] 包头钢铁设计研究院.中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算[M].机械工业出版社.2000.<4>