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浅谈轻型门式刚架结构设计李楠

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：李楠

[导读] 摘要：门式刚架结构广泛应用于工业与民用建筑中，其特点是自重轻、结构简单、受力明确、施工周期短。

        新疆交建公路规划勘察设计有限公司新疆 830000
        摘要：门式刚架结构广泛应用于工业与民用建筑中，其特点是自重轻、结构简单、受力明确、施工周期短。本文就门式刚架结构设计中常见的一些问题，如钢梁的平面外计算长度、屋面雪荷载等问题进行阐述，希望对设计师能够起到一定帮助。
        关键词：平面外计算长度；雪荷载；檩条；门式刚架
        前言
        门式刚架结构具有自重轻、结构简单、受力明确、施工周期短等优点，常见的门式刚架结构在横向是一榀刚架，纵向则是由刚性系杆及支撑系统形成的稳定体系。门式刚架设计看似简单，但小知识点较多，且结构体系需要配合很多构造措施来，需要设计师具备扎实的专业基础，故笔者结合自己的工程经验对一些常见问题进行阐述。
        1结构型式确定
        任何结构都有其适用范围。GB51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（简称《门式钢结构规范》）总则中明确指出：“本规范适用于房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1，承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖、无桥式吊车或有起重量不大于20t的Al-A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构房屋”；“不适用于按现行国家标准GB50046—2008《工业建筑防腐蚀设计规范》规定的对钢结构具有强腐蚀性介质作用的房屋”；第5.2.2条规定：“门式刚架的单跨跨度宜为12～48m，门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离宜为6～9m”；第5.2.3条规定：“门式刚架轻型房屋的屋面坡度宜取1／8～1／20”。因此结构设计人员首先要根据房屋使用功能、建筑型式等客观条件判断房屋的结构体系是否属于门式刚架，在规范规定的跨度、平均高度、纵向距离的3个适宜的取值中允许其中一个超20％、允许另外两个各超10％，但不允许3个同时超限，换言之，如果盲目按《门式钢结构规范》设计将可能造成重大的安全隐患。
        2钢号选择
        在进行轻型门式钢架的设计过程中，主体结构的的材料选择对设计的经济性和使用的安全性具有非常重要的影响。在国内建筑行业中通常使用的轻型门式钢架是由Q235B钢和Q345B钢制作而成。实际上我国的轻型门式钢架设计人员也主要以这两种钢材为原料进行轻型门式钢架的设计。这两种钢材在机械性能和力学性能上都具有较大的差异，两者的屈服强度存在一定的差异，其中Q235B的屈服强度低于Q345B的屈服强度，但是在使用的过程之中Q235B的延展性远远的高于Q345B的延展性。在受力较大，可能存在较大变形和一定位移的轻型门式钢架设计之中通常选用Q235B。对于对静态承载能力有着更高要求的轻型门式钢架则一般选择Q345B型钢材，其屈服强度高，静态承载能力更强。
        3门式刚架钢梁的平面外计算长度
        门式刚架钢梁的平面外计算长度直接关系到钢梁构件截面的选取，若计算长度取值大，构件截面选取较大，造成浪费，若平面外计算长度取值小，构件截面选取较小，安全储备不够，有安全隐患，所以准确把握钢梁平面外的计算长度显得尤为重要。根据《门刚规范》第7.1.6.2条，“实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，应取侧向支承点的间距；当斜梁两翼缘侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点的距离。”其中“侧向支承点间距”很多设计人员都默认取为2倍的檩条间距，这是不严谨的。

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首先，檩条铰接于钢梁的上翼缘，并不能直接作为钢梁平面外的侧向支承点，钢梁的平面外计算长度与檩条间距并没有直接的倍数关系；其次，当檩条与钢梁之间设置了隅撑，且隅撑的设置满足了《门刚规范》第7.1.6.4条之要求时，“下翼缘受压的屋面斜梁的平面外计算长度可考虑隅撑作用”，此时仅是可以考虑隅撑的作用，规范并未说此时可按隅撑间距定义钢梁平面外计算长度，且只是“下翼缘受压”的钢梁区段。对于如何考虑隅撑的作用，《门刚规范》第7.1.6.7条有相关计算公式，另外，最新的PKPM-STS计算软件中，在刚架二维计算定义钢梁平面外计算长度时，也有考虑隅撑作用的选项。《门刚规范》第7.1.6条的条文说明中也做了补充说明，“屋面斜梁的平面外计算长度取两倍檩距，似乎已成了一个默认的选项，有设计人员因此而认为隅撑可以间隔布置，这是不对的。本条特别强调隅撑不能作为梁的固定侧向支撑，不能充分地给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。根据理论分析，隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距，梁下翼缘面积越大，则隅撑的支撑作用相对越弱，计算长度就越大。”由此看出，规范希望设计人员对屋面钢梁的平面外长度的计算持谨慎态度，不可盲目减小，一定要有依据。综上所述，笔者认为以刚性系杆及远端的水平支撑形成的体系做为定义屋面钢梁的平面外计算长度的依据是较为合适的。
        4门式刚架屋面雪荷载的确定
        根据《门刚规范》4.3.1条，门式刚架轻型房屋钢结构屋面水平投影面上的雪荷载标准值Sk=μrS0，其中μr为屋面积雪分布系数，可按《门刚规范》表4.3.2采用；S0为基本雪压，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）（以下简称《荷载规范》）规定的100年重现期的雪压采用。此公式与《荷载规范》7.1.1条中一致，对于门式刚架屋面基本雪压按100年重现期采用也与《荷载规范》7.1.2中“对雪荷载敏感的结构，应采用100年重现期的雪压”所对应。《门刚规范》4.5.1条中规定，“屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑”，实际设计中有设计人员仅简单对比屋面活荷载与雪荷载的数值大小，取两者之间较大数值作为活荷载的取值来进行设计，这是不对的。《门刚规范》中“应取两者中的较大值”实际应该理解为取活荷载和雪荷载两种荷载组合效应中最不利的一种情况。因为首先，雪荷载还要考虑不利布置、漂移及堆积荷载等情况，可能会出现虽然雪荷载数值上小于活荷载，但实际产生的效应比活荷载更不利的情况。其次，活荷载会和恒载、风载组合，其最终产生的效应也不一定是最不利的。所以实际设计中应该把相关互斥工况都考虑进去，取最不利的效应。近几年雪灾调查表明，雪荷载的堆积是造成门式刚架屋面破坏的主要原因，故《门刚规范》相较上一版《门刚规程》，在雪荷载的计算部分增加了门式刚架屋面应考虑雪堆积和漂移的情况，具体在《门刚规范》4.3.3条有相关要求。对于屋面雪荷载的堆积和漂移，在实际设计过程中有两种情况容易忽视或算错：①门式刚架在纵向端部有更高的贴建建筑，例如是两种结构形式需要设置抗震缝等，此时应考虑纵向方向的漂移和堆积雪荷载；②门式刚架有突出屋面的天窗架，此时天窗架的四周都可能会产生漂移、堆积雪荷载。
        结束语
        门式刚架结构设计看似简单，实则其涉及的知识面较多，往往这种轻视造成设计中埋下或大或小的安全隐患。实际工程设计中，由于甲方的要求或者是工艺、建筑等专业的要求，门式刚架结构会出现有毗邻刚架、有夹层、有天窗屋架、屋面有较大吊挂荷载、纵向抽住等等情况，需要设计人员对规范有全面的理解，方能设计出安全、经济的结构图纸。
        参考文献：
        [1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范：GB51022—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.
        [2]钢结构设计标准：GB50017—2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
        [3]15G108-6《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》图示[S].北京：中国计划版社，2015.