门式刚架轻型房屋钢结构设计施工中的常见问题

李风军 沈红霞 陈玲玲

山东省纺织建筑设计院有限公司 山东 济南 250013

引言

由于现代社会的迅速发展，中国钢结构在近年来得到了很好的发展。门式刚架作为轻型房屋钢结构的一个基本构造形态，有着施工建造速度快、建筑造型优美、钢材用量小、抗震性能好、利于环保、材料费用相对便宜、综合经济性较好等优点，而且由于近年来耐火、防腐等新产品的不断问世，已较好地解决了传统钢结构建筑中耐腐蚀性较差的弊端。所以，它在工业厂房和民用设施中已经得到了普遍的使用。

1 门式刚架轻型房屋钢结构的优化设计

1.1 加强钢结构的构件综合优化

门式刚架等轻型建筑屋顶结构设计中，在对结构构件的优选方面要足够注意，在既定的结构构件形式以及材质和布局等基础下，对不同组成的结构直径尺度进行优选，才能保证钢构的轻质和经济化。在对建筑结构的形状进行优选的时候，一般有两个方式：一是采用最优化理论进行设计；二是通过选择穷举法进行设计，这两个方式均可以发挥建筑结构优选设计的效果。在最优化理论的实际运用中，一般是通过把设计问题归纳为单目标规划问题，单目标函数通常是以用钢量最小和建筑造价最低为限制要求的，进而通过运用数学规划的理论得到结构最优化的结论[1]。

1.2 多构件结构的优化设计方法

在从经济效益的角度进行考虑之下，对高强度轻型薄壁檩条和钢架梁柱等结构构件进行了优选，钢架梁柱选用轻钢结构，通过进行简化计算结果的方式，并进行反复试算之后给出了最佳的断面尺寸，并以此实现了材料节省的目标。门式刚架的结构设计优化工作技术方面，通过对计算软件系统中截面优化工程设计和反复试算的实际应用，选取了最佳的截面。

1.3 充分强调空间结构的布局设计

门式刚架在轻型房屋钢结构工程的优化方案设计中，在空间的优化上加强了注意，因为空间是对建造起着关键作用的，在具体的方案设计流程中，就必须对房子的基本结构以及施工技术条件加以比较，并全面的了解，避免空间上不必要的浪费，如果对于钢结构的分析意见和投资情况有了比较大的空间限制条件，就必须反馈给工艺设计人员和施工方。在门式刚架跨度方面是对建筑功能及特定需求有着密切联系的，因此门式刚架跨度应按照建筑物实际的需要加以选用，并尽可能采用轻质建筑材料，在门式刚架等轻型建筑钢构的设计中，对钢架跨度、柱距等对建筑物用钢量重要的指标产生了影响。

2 结构设计方面的几点问题

2.1 屋面活载荷的取值

门式刚架轻型房屋钢结构工程设计执行的国家标准为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015），根据规范的规定，压型钢板轻型屋面设计中，屋面竖向均布活荷载的基准值（按水平投影建筑面积测算）应为0.5kN/m2，当刚架结构中的受荷载水平投影建筑面积大于60m2时，则屋面竖向均布活荷载标准值可取不低于0.3kN/m2。负荷效应设计中还必须包含以下五大基本原理：当建筑物屋面均布活荷载和雪荷载共同出现时，必须选取最大的那个数值；建筑积灰荷载应与屋面雪荷载或不上人屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑。建筑及检修设备集中荷载，不与除外墙材料及檩条墙体自重之外的任何荷载一起考核；荷载的设计方案中，必须充分考虑荷载组合原理[2]。

2.2 实腹式刚架斜梁长度取值

2.2.1 如果屋面设计存在较大的斜坡，则必须充分考虑刚架平面内部轴力对稳定性的负面影响。

2.2.2 如果屋面斜坡并不算较大时，在刚架平面内也可根据压弯构件设计强度。如果斜柱轴向动力比偏小，则可类似地把竖向支承节点之间的一段距离，视为在刚架平面内的计算宽度。

2.2.3 平面外的宽度计算结果，通常选取侧向支柱之间的一定距离。但充分考虑到对钢柱拼装上下翼缘的制约因素，在计算结果时通常选取受压下翼缘侧向支撑的最大间距。而屋面斜柱的平面外计算长度则选取了二倍檩间距，显然成为一种默认的选择，有工程设计技术人员由此就提出隅撑可以间隔布设，这显然是不对的。规范中特别强调，隅撑既不能成为横梁的稳定的侧面支承，也无法充分地为横梁提供稳定侧面支承，也就只能是弹性支座。而按照标准理论分析，用隅撑支承的横梁的计算长度也不能低于二倍隅撑间距，柱下翼缘体积越大，其隅撑的支承功能就相对地更弱，计算长度也更大。单面隅撑，尽管可能成为外墙斜梁的平面外侧方向非全部支承物，但其副效应却非常重大，隅撑在单面布设时，应当充分考虑隅撑作用檩条的实际支座所受到的水平力，对外墙斜梁上下翼缘产生的水平危害。对外墙斜梁的整体刚度与稳定性计算也应充分考虑此因素。

2.3 构件挠度

在建筑规范中，如果有轻钢夹心板外墙和钢檩条对斜梁面作用，建筑结构的竖向挠性值通常取L/180，如果有吊顶时则取L/240，还有悬挂起重机时取L/400，这里L是指建筑结构的最大跨度。在荷载稳定的情形下，当厂房结构设计的最大跨度较大时，常用挠性值控制结构断面尺寸。在实际施工中，屋面梁的挠性对整体建筑的使用质量也有很大负面影响。因此，如果是上梁挠性较大，且屋面斜坡较小的外墙就会形成巨大的积水，而积水又渗入到保温棉，进一步增加了对外墙的负荷，严重时甚至形成了渗漏现象。而对于跨度较大，且挠度不易控制的建筑构件中，可采用增加摇摆柱的方式，减少对挠度所形成的不良影响。

2.4 结构形式及布置

在门式刚架的轻型房屋钢结构系统中，通常采用冷弯薄壁钢檩条和压型钢板屋面。而主体刚架则可选用变截面实腹刚架，外墙宜选用压型钢板墙面板和冷弯薄壁钢墙梁。而按照跨度、标高和荷载不同，门式刚架的梁、墙可选用变截面或等断面实腹焊接的工字形截面或轧制H形截面。设计钢架柱时，柱宜选用中等直径截面。门式刚架的柱脚多按铰接支承方式设计，一般为平板支座结构，设一对或二对地脚螺栓连接。采用柱脚铰接时，还可减少因柱脚刚接造成的底部弯矩过大而造成基础工程工程量增加，以及混凝土工程的工程费用的实际问题。有吊车厂房用刚接柱脚则较为合适，对吊车的稳定工作有利[3]。

2.5 屋面板的抗风措施

近年来时有出现大风掀屋的案例发生。而台风引起建筑物屋面板破坏的最重要原因之一，就是建筑物屋面板的连接情况。板的横向搭设方式一般有通透式、暗扣式和咬边型。通透式的缺陷一般是在螺栓贯穿处容易漏水；而暗扣式尽管避免了螺栓连接部渗透，但需要用高强度钢筋和专门的高强度钢筋轧制成形，以保持造型正确并且具有一定韧性，才能起到扣牢的吻合效果，使搭接部能留有一道避免毛细现象的空槽。大风中掀起屋面更主要的因素是不重视门窗的防风灾设计，在大风中门窗容易被吹开，尤其卷帘窗力度更差。有的窗玻璃靠腻子加固，如果风向外吹，墙体腻子就没法阻挡，窗户大开，但向上的风速却远远超出了设计时所考虑的范围。有的屋面被掀开，也可能是在大风吸力下檩条失稳而引起。但屋面板自身也有提高与完善的需要，如暗扣式屋面容易被掀起的原因，有的是扣件连接时未使用高强度钢筋，硬度不足；有的是在扣件连接边缘地区内未用螺钉与檩条相连，使扣件连接受弯损坏；有的在边区约1/6房屋高度区域内未加抗风灾螺栓连接，或抗风灾螺栓的联接垫圈因体积过小，结果被拔出。采光板也是暗扣式渗漏与可能被拔起的关键，由于在采光板和屋面板的横向连接处由于二者扩张速度差异，很容易产生裂缝，而采光板刚性又较小，由于附加檩条不足，采光板更柔，较容易产生裂缝，而采光板硬度也低于屋面板，更容易使螺栓的连接拔出。所以，在墙面和采光板的横向连接处上边尽量再压一个铝线，下垫的胶条用螺钉连接以及大垫圈牢固压住。

2.6 防腐与防火

钢铁材质的抗锈蚀性能和热抗腐蚀性能都非常不好。这不但会给钢结构工程造成巨大经济上的经济损失，而且还会产生严重安全隐患，甚至危及人们的生命财产安全。因此针对钢材构件容易锈蚀的状况，将钢材的防锈处理主要分为两个过程：一是对钢铁材质的表层进行特别处理。如果钢材表层上附着有金属污染物，就会严重影响各种涂料与钢铁表层之间的附着力，从而使得涂层下面的腐蚀物质向四周蔓延，涂层就失去了防护意义。所以在对钢材表层进行特别处理的过程中，应严格控制处理质量，确保涂层的有效性得以发挥，提高钢材的使用寿命。二是在钢材表层涂上防腐材料。防腐材料可以更有效的对钢材加以防护，从而减少了钢材的氧化反应。常见的涂层包括氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯涂层和环氧涂层等[4]。

钢材料的防火特性并不好，《建筑设计防火规范》中的要求:当建筑物结构的耐火等级是二级的时候，柱的防火极限是1.5h，而支撑多层的梁的防火极限是2.5h，而楼板的防火极限则是1.0h。所以，对钢结构建筑物进行防火措施是必要的。常见的钢结构耐火保护措施包括：将耐火轻质钢板用作耐火外包层；在结构外浇注水泥或浇筑耐火砖；涂刷耐火油漆。

2.7 节点设计

门式刚架斜梁与立柱相互之间的连接方式可选用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。与斜梁拼合时宜使端板与结构边沿相同。端板联接宜按承受较大内力设计。在内力相等时，则宜按所能承载不小于较小被接截面承载力的1.05设计。主刚架结构的连接应选用摩擦式高强度螺栓，一般选用M16～M30。檩条和刚架斜梁以及墙梁和立柱之间的衔接，常使用M12普通螺栓。端板上连接的高强螺栓应成对或对称布置，其受拉翼缘与受压翼缘之间的左右二端，都要设有并使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或相近。且螺栓中心与翼缘板上的间距要符合拧紧螺栓时的安装条件，并不得少于35mm。螺栓端距不应少于二倍螺栓孔径。门式刚架受压翼缘的螺栓数量不得小于2排。当受拉翼缘二端各设一个螺钉连接但尚无法达到一定强度要求时，可在翼缘外立杆增加螺钉连接，其间隙可取75mm，但不得低于三倍孔径。与斜梁端板相连的钢柱翼缘部分，应与端板等厚。当端板上2个螺栓连接之间的最大间距超过400mm时，应当在端板的中间增加一个螺栓连接。同样受拉与被剪切的螺栓，应验算螺栓在拉力、剪切共同作用下的总抗拉强度[5]。

3 结束语

随着时代的发展，钢结构建筑应用越来越广泛。在钢结构房屋设计中，不但要做到满足投资者的需求，而且还要确保建筑结构具备经济、安全、优美等特点。由于这些构件对技术有较大的依赖性，在工程设计上也存在着许多的技术要求标准问题。随着人们对门式刚架结构工程的认识不断深入，我们的建筑设计水准一定会进一步提升，而门式刚架轻型房屋钢结构工程也一定会获得更多的运用与普及。