门式刚架轻型房屋钢结构设计施工技术研究

王红伟 李 丹

（黑龙江省农垦建筑设计院宝泉岭分院，黑龙江 宝泉岭 154211）

在建筑施工中，门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱，以冷弯薄壁型钢作为檩条、墙梁、墙柱，以彩钢板作为屋面板及墙板，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构，再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系，即门式刚架轻型结构体系。这种体系可以在工厂批量生产，现场按要求拼装形成。能有效地利用材料，构件尺寸小，自重轻，抗震程度高，施工安装方便，建设周期短，能够形成大空间、大跨度，具有外表美观，造价低，易维护等特点。

1 门式刚架轻型结构概述

门式刚架轻型结构体系在国外应用极为广泛。在我国，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的引进和发展，轻型门式刚架体系也引起了普遍的重视，应用越来越广泛，逐渐成为许多工业和民用建筑的首选体系。门式刚架轻型结构体始于美国。日本和欧洲门式刚架轻型结构体系的应用也较多，但美国的门式刚架轻钢结构体系发展最快，应用也最广泛。由于门式刚架轻钢结构具有许多其他结构所不具备的有点，而且经济效益十分显著，因此这种结构一经推出就得到广泛的应用。我国门式刚架结构体系起步较晚，是在引进国外相关材料和软件的基础上发展起来的。早在20世纪60年代初，我国就对由焊接的工字形截面组成的门式刚架轻型结构进行了研究试验，主要是刚架的塑形设计，并应用于试点工程中。但是，由于我国多年来一直从节约钢材和资金的角度出发，对建筑钢结构采用限制使用的政策，因此，门式刚架结构体系未得到长足的发展，无论是设计水平，还是施工水平，与国外相比，都有较大的差距。近几年来，随着我国钢材产量的增加和焊接H型钢的出现，压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的出现和大批量的生产，特别是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102:98）颁布实施，门式刚架轻型房屋钢结构在我国大量涌现，门式刚架轻型结构体系得到较广泛的应用，推动了我国的设计、成型一体化进程。许多大型钢结构公司都增加了门式刚架轻型结构体系的生产线。程序化设计已经取代了手工设计，国外设计软件逐渐被我国自行编制的设计软件所代替。据有关资料统计，到2000年我国已建成的此类结构已达800×104m2以上，而且以每年100×104m2以上的速度增长。

2 设计方面

2.1 屋面活荷载取值

框架荷载取0.3kN/m2已沿用多年，不打算修改。但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》征求意见稿规定屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，遇到超载情况，就要出安全问题。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况，今后应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“挖潜”。

2.2 屋脊垂度要控制

框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度，框架分析，一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。现在打算做个规定，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。

2.3 钢柱换砼柱

少数单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。还有的单位，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。

2.4 檩条计算不安全

檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规程》3.1.7条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。如果用Q235的，计算时不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。

3 施工方面

3.1 刚架柱问题

有的刚架在大风时柱子被拔起，这是实际中常出现的事故。主要原因不是刚架计算失误，而且设计柱间支撑时，未考虑支撑传给柱脚的拉力。尤其是房屋纵向尺度较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，而柱脚又没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起。因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，例如锚栓端部设锚板等。

3.2 端板合不上

端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严，而腹板与端板间夹角又，有的工程两块端板完全对不上，合不起来。强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严惩影响工程质量。

3.3 锚栓不铅直

框架柱柱脚底板水平度差，锚栓不铅直，柱子安装后不在一条直线上，东倒西歪，使房屋外观很难着，这种情况不少。锚栓安装应坚持先将底板用下部调整螺栓调平，再用用无收缩砂浆二次灌浆填实，国外此法施工。

3.4 保温材吸水超重

有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐渐渗入，为保温村所吸收。今年冬季落雪多次，迁延时间较长。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程序，超过了结构的承载能力，就要倒塌。

3.5 保温材料胡乱安装

保温材料一般采用玻璃棉，其厚度根据热功计算确定。正规做法是采用背面带铝箔隔汽层的玻璃棉。防止冷凝水向室内滴水，是房屋的使用要求之一。承受悬挂时的拉力还可以用玻璃纤维布或钢丝网。有些工程，玻璃棉不用任何隔汽层。另外，当采用内层钢板吊顶时，不是将保温卷材压在檩条上，而是为了施工方便，将保温材剪断，放在檩条之间的吊顶上，形成冷桥。某工程在这样处理的同时，又将吊顶钢板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作业时，将周边门窗关闭，由于室内外温差大，大量水汽在屋顶凝集，由吊顶钢板搭接处滴下，形成了“外面不下里面下”的状况，使工程不能按时完工。当保温卷材有隔汽层并保持接缝处密封时，卷材是干燥的，无隔汽层时卷材是湿的。在水份的长期浸泡下，随着时间的推移，保温棉将被逐渐压实，最终失去应有的保温作用，因此安装方法一定要按照规范执行。

[1]黄鹚.建筑施工图设计[M].湖北.华中科技大学出版社.2009.

[2]李温施.施工图设计概论[M].黑龙江.哈尔滨工业大学出版社.2010.