浅析带毗屋门式刚架轻型房屋钢结构设计

贾 雪 亮

(山西润民环保工程设备有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

门式刚架由于结构体型简单、现场施工组装方便、建设周期短，是单层工业厂房中常用的一种结构形式。在工业生产厂房中，某些设备体型差别较大，当遇到不同设备高度差别较大时，若统一按高度较大的设备确定厂房高度，则存在一定程度上的空间浪费。若按不同高度设备合理优化布置，通过采用带毗屋门式刚架的结构形式，主要设备和辅助设备分别布置于厂房主刚架和毗屋刚架区域，则总体上可达到节省空间，降低造价的效果。

1 结构布置

对于房屋高度不大于18 m，高宽比小于1，无吊车或吊车起重量较小的门式刚架单层钢结构房屋，GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(以下简称《门规》)第5.1.2条中给出了常用门式刚架形式的示例，其中《门规》图5.1.2(e)(如图1所示)为带毗屋刚架示例图，图1中主刚架和毗屋刚架均为单坡。实际设计中，当遇主刚架跨度较大时，为避免刚架两端梁柱受力偏差过大，主刚架宜按双坡设计，示例见图2。

纵向柱间支撑布置时按《门规》8.2.5条规定执行，为保证水平作用力更直接有效传递，毗屋刚架可设单层柱间支撑，在檐口处设柱间水平刚性系杆；主刚架可设为双层柱间支撑，水平刚性系杆分别设置在毗屋檐口标高处和主刚架檐口标高处，示例见图3。

2 荷载取值

2.1 永久荷载

门式刚架承重结构采用等截面或变截面实腹刚架，围护系统多采用轻型钢屋面和轻型外墙加檩条、墙梁体系。一般综合考虑板材及檩条自重后荷载标准值取值约为0.20 kN/m2～0.30 kN/m2，设计时应根据具体使用材料类别、型号按实际计算。

2.2 屋面活荷载

《门规》4.1.3条规定：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面按水平投影面积计算的竖向活荷载的标准值应取0.5 kN/m2，对承受荷载水平投影面积大于60 m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可不小于0.3 kN/m2。为避免屋面活荷载在60 m2这个面积分界线上下出现突变，在实际设计时，建议可在60 m2～100 m2受力面积区间设置荷载过渡区段，屋面活荷载取值按60 m2～100 m2受力面积分别对应荷载0.5 kN/m2～0.3 kN/m2进行插值计算。另外，按承受荷载水平投影面积确定屋面活荷载取值时，主刚架不应考虑毗屋刚架所“贡献”的面积。在进行屋面活荷载取值时建议分别按主刚架和毗屋刚架各自承受的荷载水平投影面积考虑。

2.3 风荷载

《门规》4.2节中列出了风荷载的计算公式及方法，但没有给出带毗屋门式刚架风荷载系数的取值，从《门规》4.2.2条规定的“房屋高度不大于18 m，房屋高宽比小于1”适用范围条件以及该条条文说明的理解上来看，当主刚架高度及高宽比在此范围时，主刚架和毗屋刚架风荷载系数可分别参照《门规》4.2节双坡屋面和单坡屋面所对应的系数来取值。在计算时，尚应注意区别端区和中间区风荷载系数取值，以及区别主刚架和檩条、墙梁所承受的风荷载计算时《门规》4.2.1式中β值(主刚架1.1，檩条、墙梁1.5)。

2.4 雪荷载

门式刚架轻型房屋钢结构屋面较轻，对雪荷载敏感，在计算时雪荷载经常起控制作用，极端雪荷载情况下容易引起结构整体破坏。《门规》4.3.1条规定基本雪压按现行国家标准GB 50009建筑结构荷载规范规定的100年重现期的雪压采用。另外，对于带毗屋门式刚架，当高低屋面的高差hr与按屋面基本雪压确定的雪荷载高度hb满足《门规》4.3.3条(hr-hb)/hb>0.2的规定时，则需考虑雪堆积和漂移荷载。另外，还应按《门规》4.3.5条的规定在计算屋面板、檩条、钢架斜梁以及钢架柱时采用相应的积雪分布情况。

2.5 地震作用

带毗屋门式刚架由于在横向属于质量和刚度分布不对称的结构，所以除应按房屋两个主轴方向分别计算地震作用外，还应整体建立模型计算双向水平地震作用并计入扭转的影响。

3 结构计算及结果分析

3.1 荷载组合及分项系数

在进行刚架计算时，应注意按《门规》4.5.1条第1款规定将不同时考虑的荷载在建模计算时设定为互斥荷载，之后分别计算其效应后取不利值；同时将需要同时考虑的荷载在建模计算时设定为相容荷载，计算叠加荷载效应。计算时，应注意检查荷载组合是否合理，避免荷载组合不正确造成计算偏差。

《门规》4.5.2～4.5.5对持久设计状况和短暂设计状况下的基本组合效应设计作出了规定，该条是根据GB 50009工程结构可靠性设计统一标准(以下简称《可靠性标准》)制定。2018年版《可靠性标准》8.2.9条对荷载基本组合的分项系数进行了更新。在带毗屋门式刚架结构计算时，荷载基本组合分项系数应按新版《可靠性标准》来取值。

3.2 刚架计算

根据《门规》6.1节的相关规定，带毗屋轻型门式刚架应采用弹性分析方法计算，可按平面结构分析计算内力。当采用二阶弹性分析时，除按实际工况布置荷载外，还应施加假想水平荷载。对于带毗屋门式刚架则应在主刚架、毗屋刚架檐口位置和毗屋刚架梁和主刚架柱连接处施加该水平荷载，且应注意该假想荷载方向应与风荷载和地震作用的方向一致。

当按平面结构计算分析横向刚架时，应特别注意按实际情况考虑梁、柱平面外支撑或者约束情况，相应构件平面外计算长度按实际取用。尤其是采用二维计算软件计算时，应注意对平面外相关条件及假定的判断设置。

在刚架计算时，尚应按中间刚架和端部刚架分别计算。在计算端部刚架时，应根据连接情况考虑抗风柱的影响。一般情况下，抗风柱作为单独构件主要承受端墙的风荷载及相关范围内的围护结构自重，不考虑承担刚架荷载。端部抗风柱顶与刚架连接处多采用长圆孔螺栓或者“Z”形弹簧片形式，该连接方式的端部刚架仅提供抗风柱水平方向约束，而在竖向不提供或只提供很小的约束，避免刚架和抗风柱竖向荷载及变形偏差过大引起构件破坏。当屋面材料较轻且能够适应较大变形时，抗风柱顶部与刚架可采用固定连接，此时在计算刚架时可考虑抗风柱的支承作用，在计算抗风柱时应考虑刚架传下来的荷载。

3.3 地震作用计算

在计算地震作用时，由于带毗屋门式刚架的质量和刚度沿高度分布不均匀，所以在计算刚架横向地震作用时，可按振型分解反应谱法来进行计算。当房屋纵向没有高低跨时，纵向柱列的地震作用计算一般可采用基底剪力法，将按高度和质量大小分配的地震力传递到纵向支撑或纵向框架。

带毗屋门式刚架由于在横向属于质量和刚度分布不对称的结构，所以除应按房屋两个主轴方向分别计算地震作用外，还应整体建立模型计算双向水平地震作用并计入扭转的影响。

3.4 结果分析和构件设计

《门规》中对门式刚架各构件的计算方法和构造要求做了详细的规定，目前结构工程师多采用计算软件进行分析计算，但参数和结果需要仔细复核，在计算时应特别注意对软件计算条件的设定和计算结果的判定。对于带毗屋门式刚架的主刚架柱平面外稳定性计算，在计算受压平面外稳定系数φy时，应按纵向柱间支撑点间的距离计算，在计算受弯稳定系数φb时，应按柱受压翼缘支撑之间的间距来计算；在计算屋面檩条、墙梁时，除按正常计算风压力工况时的构件强度、稳定计算外，尚应特别注意考虑风吸力工况下，屋面檩条、墙梁的强度、稳定性能否满足要求。

在檩条或墙梁设计时，若构件强度或者稳定性不足，应分析问题源头，避免一味加大截面来“迎合”结果。如风吸力工况下檩条或墙梁稳定性计算不满足要求时，可采用双层拉条解决受压翼缘的支撑问题。

4 构造要求和变形规定

4.1 构造要求

构造要求是从概念设计角度出发，根据以往大量工程实践经验及试验数据总结而来的限值或者规定，构造要求的复核也是贯穿结构设计始末的一项重要工作。在初选截面时要考虑，在构件应力分析截面设计时同样也要考虑。在设计计算过程中当应力比不满足要求而需要加大构件截面或者应力比较小需要优化构件截面时，应同时注意综合考虑构造要求的影响因素。

由于门式刚架存在构件壁厚小、截面尺寸相对较大的特点，在设计时，应注意刚架各构件应满足《门规》中3.4节相应所规定的构造要求。主刚架构件腹板厚度不宜小于4 mm，用于檩条、墙梁的冷弯薄壁型钢壁厚不宜小于1.5 mm。考虑到构件的局部稳定性，《门规》3.4.1条第2款规定了刚架构件受压板件中受压翼缘板自由外伸宽度b与厚度t之比的限值，还规定了梁、柱构件腹板的计算高度hw与厚度tw之比的限值。

另外，为保证构件整体构造上的稳定性，受压、受拉构件的长细比限值也是重要的控制指标。当柱或者支撑长细比不满足《门规》相关要求时，应结合应力比的大小确定是增加构件截面尺寸还是设置支撑。

大多情况下，轻型门式刚架房屋钢结构为非地震作用组合控制结构设计，但是也可能存在地震作用组合的效应控制结构设计的情况。在复核计算效应和构造要求时，一定要注意加以区分。当遇到地震作用组合的效应控制结构设计时，应特别注意按《门规》3.4.3条中对相关构造要求加强的规定。地震工况和非地震工况下门式刚架主要构件相关构造区别要求可见表1。

表1 非地震、地震工况门刚构件限值

4.2 变形规定

在门式刚架强度、稳定受力计算满足要求的前提下，尚应按《门规》3.3.1条规定的吊车情况和其他情况复核刚架柱顶位移是否超过限值，并按《门规》3.3.2条规定核算门式刚架斜梁、檩条、墙梁等受弯构件的挠度是否超过限值。否则，应增大构件的刚度以满足变形要求。

5 结语

本文在对《门规》等现行国标规范的理解基础上结合工程设计经验，对带毗屋门式刚架钢结构房屋设计进行了阐述及总结。在实际设计中，可为同类型钢结构房屋在结构布置、荷载取值、构件设计等方面主要参数取值和重点考虑事项提供参考及建议，以达到结构安全可靠、造价经济合理的目的。