关于某超高门式刚架轻钢结构设计的研究

孙广强

[摘 要]在设计某超高门式刚架工程时，要把规范理解和软件计算与前者结合起来，并通过控制和选取几个比较重要的参数，如板件宽厚比、载荷等。从而使设计思路更加简便，使相关的经济支出尽量控制在比较低的范围之内，并为以后的超高门式刚架设计提供一些简单的参考。

[关键词]超高门式钢架;轻钢结构;设计

[中图分类号]TU392.5 [文献标识码]A

随着我国社会主义市场经济的不断发展，对于建筑工程的施工周期也提出了更高的要求，如何在保证工程质量的前提下用更短的时间完成建筑工程的施工成了一个急需解决的问题，在这种情况下多快好省的钢结构获得了迅速的发展。而在钢结构形式中门式刚架是一种比较传统的形式，广泛应用于库房、厂房等结构中。

1 门式刚架轻钢结构设计中需要注意的问题

1.1 荷载取值

屋面材料的自重就是屋面恒载，主要包括以下几个方面：支撑系统、屋面板等，一般情况下0.04kN/m2-0.06kN/m2之间的值为支撑自重，对于屋面板来说，屋面材料的不同往往导致出现差别很大的自重。例如，自重在0.24kN/m2左右的是100厚彩钢岩棉夹芯板，自重在0.12kN/m2左右的是100厚彩钢夹聚苯乙烯保温板，而自重在0.14kN/m2左右的则是轻质的GRC保温板。但是在实际的建筑工程设计中很多技术人员在对屋面恒载进行取值时往往不考虑实际情况轻率地取为0.3kN/m2，这样不仅会浪费原材料，还会使建筑物的质量大打折扣并留下安全隐患。因此，计算屋面恒荷时应充分考虑到因屋面板材的不同而存在的差异，不能一概而论轻率地取某固定的值，还有一点需要特别注意的是屋面恒荷的取值应在0.2kN/m2以上。对于屋面活荷来说，在现行的技术规范中，如GB50017-2012钢结构设计规范等一般情况下都取值为0.5kN/m2，但是在实际中如果构件的荷载面积在六十平方米以上，那么活荷载在进行取值时可以乘折减系数0.6，也就是说这时的活荷载取值可以是0.3kN/m2。符合这个条件的门式刚架，可以取活荷载的值为0.3kN/m2。而在欧美国家的现行规定中，在设计门式刚架轻型钢结构房屋时，在原有荷载的基础上要增加0.15kN/m2-0.5kN/m2。这样做的主要原因是在极端天气条件下应对可能出现的超载现象。这种做法目前并没有在我国大范围推行，在我国相关的技术规范中也没有规定。因此，在进行屋面活荷载的取值时，建议取值为0.5kN/m2或者以上，不应小于0.5kN/m2。

1.2 钢材与刚架截面的选取

通常来说，跨度比较小的刚架，一般由强度控制结构。在这种情况下，选用钢材时要注重钢材的强度等级，尽量选择强度等级较高的钢材，这样的钢材翼缘都比较厚，从而使构件的截面高度能够尽量减小，这样一方面能够使造价降低，另一方面能够使结构的安全性得到保证。对于跨度比较大的刚架来说，一般由钢梁挠度控制结构，这时就要选用翼缘比较薄的钢材，这种钢材的腹板一般比较高，这样钢梁挠度才能够得到有效的控制，同时还能够保证有一定的结构应力。由于挠度不受钢材强度的影响，因此相关的设计人员可选用价格较低的钢材，这样不仅安全可靠，而且经济划算。构件不仅要满足挠度和强度的要求，同时还要满足局部稳定的要求，所谓的局部稳定就是指腹板应该达到高厚比的要求，翼缘应该达到宽厚比的要求。在《钢结构设计规范》中所规定的腹板高厚比要比《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中的规定严格许多，这是因为腹板的屈曲后强度也在轻钢结构设计的考虑范围中。只有腹板的高度变化在不超过60mm的情况下，才能够利用腹板屈曲后强度。因此，不能为了降低经济成本而大幅减少用钢量，从而使变截面构件小端头截面高度过多地减小。

2 工程概况

某地毛米仓的高度为二十米，跨度为三十米，仓库里面是十六米高的钢板仓，没有吊车等设备，有一千六百五十平方米建筑面积，室内外的高差为三百毫米，要求采用门式刚结构进行设计安装。此外，该地为七度的抗震设防烈度，基本的地震加速度值在设计中为0.10g。该地距离海洋较近，基本的风压0.6kN/m2。工程中采用Q345B级钢，结构安全等级为2级。

3 结构布置

焊接H型截面门式刚架是该工程的主承力体系，压型钢板轻型材料是建造外墙围护结构和屋顶的主要材料。刚架柱柱脚固结，要采用全高等截面的柱子。为了使柱子平面外的计算长度能够尽量减小，使整体结构空间的稳定性得到保证，就要在厂房纵向每榀钢架柱间除了设置刚性系杆在柱顶之外，还要额外设置两道刚性系杆在柱中。同时还要设置通长刚系杆在屋盖的纵向，它们之间的间距一般在四点五米到五点五米之间。

4 结构设计分析

该建筑工程的实际高度为二十米，这个值高于GB51022-2015《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》中十八米的要求，因此在实际的设计过程中不能完全参照《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》，应该对其他结构的设计规范进行参考。

4.1 载荷

恒载、活载以及风荷载都在载荷需要考虑的范围之内。其中根据《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》和GB5009-2012《建筑结构荷载规范》取风荷载的较大值。经过对比可以发现，柱子有更大的《建筑结构荷载规范》风荷载，而梁有更大的《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》风荷载。鉴于以上这种情况，建议采用《建筑结构荷载规范》风荷载来进行结构整体的计算，在进行屋面斜梁的验算时可以使用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》风荷载。在输入柱子的风荷载后，计算时可以采用梯形荷载等方式。

4.2 板件宽厚比控制

确保厂房框架延性的重要指标之一就是构件的板件宽厚比，另外这个指标还对建筑工程中单位面积用钢量有着重大的影响。因为《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》的限制高度已经不适用于该建筑工程，因此在进行控制时不建议采用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》。对于轻屋盖厂房来说，如果它的设防烈度在八度或者以下，就能够采用性能化设计，这种方法有两种情况：一是低延性和高弹性承载力，二是高延性和低弹性承载力，也就是说在不同地震作用的承载力情况下，如果构件的强度和稳定都能够达到的一定的要求，那么就允许构件在计算弹性设计阶段板件宽厚比时采用不同的限值。该建筑工程的性能设计方法采用“低延性和高弹性承载力”，也就是说当有较高的地震作用承载力时，如果结构能够满足这一要求，就能够允许构件在计算弹性设计阶段板件宽厚比时采用比较低的限值，这就使板件宽厚比的要求在一定程度上放宽了。当有两倍多的地震作用承载力时，如果结构能够满足这一要求，那么就允许构件在计算弹性阶段板件宽厚比时采用GB50017-2003《钢结构设计规规范》的限值。

4.3 柱顶位移控制以及梁挠度

在本建筑工程中没有桥式吊车，因此可以采用《钢结构设计规规范》中无桥式吊车的单层框架柱顶位移H/150的限值来进行柱顶位移的控制，但是从施工现场的实际情况出发，由于毛米仓距离厂房内钢柱太近，因此在进行柱顶位移控制时，取限值的H/180。经过计算后，可以知道本建筑工程由风荷载控制柱頂的位移。为了使柱顶的水平位移得到充分的满足，柱截面在增大时屋面的梁截面也要随之增大，这样就会很少使用到梁，同时还能够充分保证梁的挠度。因此，在满足整体计算要求和板件构造的基础上，要使梁截面尽可能地减小，这样有利于节约原材料。

5 结语

该建筑工程所选取的柱顶位移限值参数和荷载都比较合适，同时在设计超高门式刚架轻钢结构时采用了“低延性和高弹性承载力”的性能设计方法，这样一方面使结构的安全性得到保证，另一方面又降低了经济成本。

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