谈轻钢结构单层厂房的设计

陈炜琴

(山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

随着国家可持续发展战略的实施，高能耗、低效率和破坏环境的建筑材料将逐步退出市场，取而代之的将是低耗、高效、环保的新型建材。钢材作为可再生利用和高效的材料，逐渐在建筑行业中占有主导地位，尤其是轻钢结构近几年在单层工业厂房中逐渐取代钢筋混凝土排架结构而成为一种新型的结构体系。轻钢结构具有自重轻、工厂化和商品化程度高、施工速度快、综合经济技术指标低等优点。下面就轻钢结构单层工业厂房设计的要点及其构件设计方法简单叙述如下，以供参考。

1 轻钢结构单层厂房设计的要点

1.1 结构体系

1)门式刚架分为单跨、双跨、多跨以及带挑檐的和带毗屋等多种形式。多跨刚架中柱与刚架梁的连接可采用铰接。

2)轻型钢结构工业厂房结构体系中，屋面常采用有檩体系，檩条间距为1.5 m，屋面板为压型钢板或夹芯板，檩条采用冷弯C型钢或高频焊接薄壁H型钢;外墙采用有墙梁体系，墙梁间距为1.5 m～2.1 m，墙面板为压型钢板或夹芯板，墙梁采用冷弯C型钢或高频焊接薄壁H型钢。主刚架梁下翼缘和主刚架柱内侧翼缘平面外的稳定性，可通过在刚架梁下翼缘和檩条间或刚架柱内侧翼缘和墙梁之间设置的隅撑来保证。主刚架之间的水平支撑可采用张紧的圆钢或角钢。

3)根据跨度、高度和荷载不同，门式刚架的梁柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字钢或成品H型钢截面。单层厂房中当设有桥式起重机时，柱截面宜采用等截面构件。

4)轻钢结构工业厂房刚架柱基础，刚架柱柱脚与钢筋混凝土基础的连接可按铰接或刚接，当厂房内设有桥式起重机时按刚接连接，其他情况按铰接连接。

焊接实腹式工型截面门式刚架承重结构由刚架和基础两部分组成。门式刚架承重结构体系的刚架、檩条(或墙梁)以及压型钢板间通过可靠的连接和支撑相互依托，体系受力更趋向于空间化。

1.2 结构布置

1.2.1 屋面结构平面布置

单层厂房轻刚结构房屋伸缩缝的设置:当房屋纵向长度不小于300 m，横向长度不小于150 m时需要设置温度伸缩缝。温度伸缩缝的做法有两种:檩条连接处的螺栓孔采用椭圆孔或设置双排柱，使结构有足够的伸缩空间;吊车梁与柱的连接处宜采用椭圆孔。

屋面檩条的布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带等因素的影响，屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。

1.2.2 墙面墙梁布置

单层厂房轻刚结构房屋墙面墙梁的布置，应根据门窗的位置、大小确定墙梁的位置，另外设有挑檐、雨篷时还应增设墙梁等构件，墙梁的规格尺寸应由计算确定，同时还应考虑墙面板的规格，考虑到厂房的美观，一般墙面梁设在主刚架柱的外侧。

1.2.3 支撑布置

横向水平支撑和竖向柱间支撑可提高刚架的整体刚度，并能承担和传递水平力，防止杆件产生过大的振动，避免压杆的侧向失稳，可保证结构安装时的稳定。

1)当设有温度伸缩缝时，在每个温度伸缩单元应分别同时设置横向水平支撑和竖向柱间支撑以形成几何不变、稳定的空间结构体系。

2)横向水平支撑一般设置在温度伸缩单元两端第一开间刚架梁上翼缘，在水平支撑交叉的节点处应设置刚性系杆。横向水平支撑的间距不大于45 m。横向水平支撑既可以采用十字交叉圆钢，又可以采用双角钢作支撑。

3)当温度伸缩单元长度不超过90 m时，在温度伸缩单元两端第一开间的上柱处设置上柱柱间支撑，在温度伸缩单元中间的柱开间内分别设置上下柱柱间支撑。上柱柱间支撑为单片角钢，连接在柱腹板的中间，下柱柱间支撑为双片角钢，连接在下柱两侧翼缘。值得注意的是在温度伸缩单元的端部不设下柱柱间支撑。

4)在刚架转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。

1.3 轻钢结构厂房钢构件的设计

1.3.1 主要承重构件(刚架)内力计算方法

刚架的内力计算方法分弹性分析和塑性分析方法，变截面门式刚架通常采用弹性分析方法，等截面门式刚架通常采用塑性分析方法，同时还应满足现行《钢结构设计规范》的相关要求。

1.3.2 门式刚架位移(侧移)计算

当屋面坡度不大于1∶5时，柱顶在水平力H作用下的位移(侧移)u，可按下列公式计算:

柱脚铰接刚架:

柱脚刚接刚架:

其中，h，L分别为刚接柱高度和刚架跨度;Ic，Ib分别为柱和横梁的平均惯性矩;H为刚架柱顶等效水平力;ζt为刚架柱与刚架梁的线刚度比。

1.3.3 构件强度计算

工型截面受弯构件在剪力、弯矩共同作用时，强度按下式进行计算:

当 V≤0.5Vd时，M≤Me;当0.5Vd≤V≤Vd时，M≤Mf+(Me－Mf)［1 －(V/0.5Vd－1)2］。

当截面为双轴对称时:

Mf=Af(hw+t)f。

其中，Mf为两翼缘所承担的弯矩;Me为构件有效截面所承担的弯矩，Me=Wef，We为构件有效截面最大受压纤维的截面模量;Af为构件翼缘的截面面积;Vd为腹板抗剪承载力设计值，Vd=hwtwfv'。

1.3.4 构件稳定计算

轴心受压构件(工型截面)局部稳定计算:

受压翼缘:

其中，b为受压翼缘自由外伸宽度;t为受压翼缘的厚度;fy为钢材屈服强度;hw为腹板的计算高度;tw为腹板的厚度。

1.4 刚架柱基础的设计

1.4.1 基础形式

门式刚架轻型房屋钢结构常用的基础形式有:1)钢筋混凝土独立基础，一般用于地基承载力比较大，土质比较均匀的情况。2)柱下条形基础多用于加固工程中，在处理新旧建筑物基础时，可以避免对旧建筑物基础造成不利的影响。3)桩基础一般用于深基础，地基回填土较多、持力层较深的情况。

1.4.2 基础的设计

1)轻钢结构厂房门式刚架柱基础通过钢板与钢筋混凝土基础之间连接采用铰接或刚接柱脚。

2)柱脚锚栓应采用Q235钢或Q345钢制作。锚栓的锚固长度应符合GB 50007-2002建筑地基基础设计规范的规定，为抵抗上拔力锚栓端部设置弯钩或锚板，锚栓的直径不小于24 mm，且应采用双螺母或采取防止螺帽松动的有效措施;柱脚锚栓按下柱柱间支撑传递的纵向风荷载和吊车刹车力或纵向地震作用的上拔力计算。刚架柱底部的水平力由柱脚底板与钢筋混凝土基础顶面之间的摩擦力来承担，若还不满足须设置槽钢或角钢抗剪键。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹处的有效截面面积。

2 工程中易出现的问题及改进措施

门式刚架轻型房屋钢结构自重轻，其基础的受力与一般单层钢筋混凝土排架柱厂房不同，对轻钢结构单层工业厂房基础的设计应给予足够的重视。在实际工程中，当风荷载较大时有的刚架柱被拔起，其原因可能是在设计刚架柱基础时未考虑柱间支撑传来的纵向风荷载或因设置的柱间支撑少而传给刚架柱基础的拉力大且柱脚未采取有效的锚固和抗拔措施而引起的。所以，当风荷载较大时应考虑纵向支撑传给柱脚基础的拉力，而且在设计柱脚基础时应考虑抗拔构造措施，如锚栓端部设弯钩或锚板等。

3 结语

轻钢结构具有自重轻、工厂化和商品化程度高、施工周期短、节能环保等明显的优点。轻钢结构门式刚架设计在单层工业厂房中越来越得到人们的青睐，但它毕竟还是一个新生事物，需要我们设计人员在工程设计中不断的探索、改进、回访中积累经验，进而解决在工程设计中遇到的新技术、新问题。新技术、新材料的应用给设计人员提供了锻炼的机会，带来了新的挑战，只要对不断出现的新技术、新材料、新问题勇于探索、勇于创新，就能攻克难关，从而使新技术、新材料得到广泛应用，我们的设计水平也会有较大的提高。

［1］CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.

［2］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.