门式刚架轻型房屋钢结构设计研究

门式刚架轻型房屋钢结构设计研究

刘涛 李娜

中国五洲工程设计集团有限公司 北京 100053

摘要：门式刚架结构在最近几年得到广泛应用，具有良好的发展空间。不过这种结构对于技术有很大的依赖，在设计上有着很多的要求规范。本文从屋面活载荷的取值、斜梁长度取值、构件挠度、结构形式及布置、屋盖抗风措施、防腐防火等方面研究了门式刚架轻型房屋钢结构设计问题。

关键词：钢结构、设计、轻型房屋、刚架

前言：

随着社会的发展，钢结构在近几年得到很好的发展。门式刚架作为轻型房屋钢结构的一种结构形式，具有施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、抗震性能好、有利于环保、造价低廉、综合经济效益好等优势，随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了钢结构抗腐蚀性差的缺点。使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。笔者总结近年来的工程实践，提出在门式刚架轻型钢结构设计与应用方面应考虑和注意的一些技术问题。

一、屋面活载荷的取值

门式刚架轻型房屋钢结构设计所执行的规范是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015），按照其中的规定，压型钢板轻型屋面中，屋面竖向均布活载荷的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5kN/m²，若刚架结构的受荷水平投影面积高于60m²，屋面竖向均布活载荷标准值可取不小于0.3kN/m²。载荷效应组合还应当包括五个原则：当屋面均布活荷载与雪荷载同时存在时，应当取较大的那个值；积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；施工或检修集中载荷不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；风荷载不与地震作用同时考虑；多台吊车组合应满足《建筑结构荷载规范》GB50009的规定。荷载的计算过程中，应当充分考虑荷载组合原则，避免由于重复计算导致材料浪费。

二、实腹式刚架斜梁长度取值

1、若屋面具有很大的坡度，应当充分考虑刚架平面内外轴力对稳定性的影响。

2、若屋面坡度不是很大，在刚架平面内可以按照压弯构件计算强度。若斜梁轴力偏小，则可以近似将竖向支承点间的距离作为刚架平面内的计算长度。

3、平面外的长度计算，一般取侧向支承点间的距离。考虑到钢梁上下翼缘的约束作用，计算时一般取受压翼缘侧向支撑点的最大距离。屋面斜梁的平面外计算长度取两倍檩距，似乎已成了一个默认的选项，有设计人员因此而认为隅撑可以间隔布置，这是不对的。规范特别强调隅撑不能作为梁的固定的侧向支撑，不能充分地给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。根据理论分析，隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距，梁下翼缘面积越大，则隅撑的支撑作用相对越弱，计算长度就越大。单面隅撑，虽然可能可以作为屋面斜梁的平面外侧向非完全支撑，但是其副作用很严重，隅撑单面布置时，应考虑隅撑作为檩条的实际支座承受的压力对屋面斜梁下翼缘的水平作用。屋面斜梁的强度和稳定性计算宜考虑其影响。

三、构件挠度

在规范中，若只有钢板屋面和檩条对斜梁产生压力，构件的竖向挠度一般取L/180，如尚有吊顶则取L/240，有悬挂起重机时取L/400，其中L是指构件的跨度。荷载固定的情况下，当厂房结构设计的跨度很大时，一般挠度值控制构件截面大小。在建筑中，屋面梁的挠度对于整个建筑物的使用也有较大影响。例如，若是上梁挠度过大，屋面坡度小的屋面就会产生大量的积水，积水渗透进保温棉，增大了屋面的荷载，严重时甚至出现漏水现象。在跨度大，挠度不易控制的结构中，可以通过增加摇摆柱的方法减弱挠度产生的不利影响。

四、结构形式及布置

在门式刚架轻型房屋钢结构体系中,，一般使用冷弯薄壁型钢檩条和压型钢板屋面。主刚架可采用变截面实腹刚架，外墙宜采用压型钢板墙面板和冷弯薄壁型钢墙梁。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形截面或轧制H形截面。设置吊车梁时，柱宜采用等截面构件。门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。柱脚铰接，还可以避免由于柱脚刚接弯矩过大，使基础计算增大而增加基础混凝土方面的造价的问题。有吊车厂房采用刚接柱脚更为合理一些，对吊车平稳运行有利。

五、屋面板的抗风措施

近年来有发生台风掀起屋面的现象。台风掀起屋面板的主要原因之一是屋面板的搭接问题。板的横向搭接主要有穿透式、暗扣式和咬边式。穿透式的缺点主要是螺栓穿透处易渗漏; 暗扣式虽然避免了螺栓穿透，但必须用高强度钢材并用专用的高强钢材轧机成型，保证形状准确并富有弹性，才能达到扣紧吻合，使搭接处能留一个防止毛细现象的空槽。台风掀起屋面更主要的原因是不注意门窗的抗台风设计，台风中门被吹开，尤其卷帘门强度更差。有的窗玻璃靠腻子固定，风向外吹，腻子无法挡住，门窗大开，向上的风力大大超过设计所考虑的。有的屋面被掀起也可能是风吸力下檩条失稳所致。而屋面板本身也有加强和改进的必要，如暗扣式屋面被掀起的原因，有的是扣件未采用高强钢材，强度不够; 有的是扣件边上未用螺栓与檩条连接，使扣件受弯破坏; 有的在边区约 1/6 房屋宽度范围内未加抗台风螺栓，或抗台风螺栓垫圈面积太小，结果被拔出。采光板更是暗扣式渗漏与可能被拔起的重点，因为采光板与屋面板横向搭接处由于二者膨胀不同，很易形成缝，而采光板刚度又比较小，附加檩条不够，采光板更柔更易形成缝，采光板强度又不如面板，更易使螺栓拔出。所以在面板与采光板横向搭接处上面最好再压一根铝条，下垫胶条用螺栓及大垫圈牢牢压住。采光板跨度应不大于 1. 0m。

六、防腐与防火

钢材料的耐锈蚀性和耐腐蚀性都很差。这不仅会为钢结构建筑带来经济上的损失，还会造成安全隐患，威胁人们的生命财产安全。对于钢结构易腐蚀的情况，钢材料的防腐处理包括两个步骤：一是对钢材料的表面进行特殊处理。如果钢表面附着有污染物，会严重影响各种涂料在钢材表面的附着力，导致漆膜下面的锈蚀向四周扩散，涂料失去了保护意义。所以在对钢表面进行特殊处理的过程中，应当严格控制处理质量，保证涂料的效果能够充分发挥，保证钢材料的使用寿命。二是在钢材料表面涂上防腐材料。防腐材料能够有效的对钢材料进行保护，缓解钢材料的氧化反应。常见的涂料包括氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯漆和环氧漆等。

钢材料耐火性能也较差，《建筑设计防火规范》中有规定：当建筑构件的耐火等级为二级的时候，梁的耐火极限为1.5h，支撑多层的柱的耐火极限为2.5h，楼板的耐火极限仅为1.0h。所以对钢结构建筑采取防火措施是必须的。常用的钢结构防火措施有：将耐火轻质板作为防火外包层；在构件外围浇筑混凝土或砌筑耐火砖；涂抹防火涂料。

七、结束语

随着时代的发展，钢结构出现的频率越来越高，范围也越来越广泛。在钢结构设计中，不仅要做到符合投资者的要求，还要保证结构具有经济、安全、美观等特征。事物都有认识和发展的过程，随着我们对门式刚架结构的认识不断深入，我们的设计水平会不断提高，门式刚架轻型房屋钢结构也一定会得到越来越多的应用和推广。

参考文献：

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