門式剛架結構設計若干問題的探討

1、<p>　　門式剛架結構設計若干問題的探討</p><p>　　摘要：門式剛架因其自重輕，建設周期短及較好的抗震性能被建筑師和結構師廣泛地應用于建筑工程中，然而在實際設計中，會出現(xiàn)很多問題，致使運用此結構時也出現(xiàn)了許多問題。本文主要談談門式剛架結構設計的重要方法以及其設計過程中出現(xiàn)的主要問題，并提出一些合理化建議。 </p><p>　　關鍵詞：門式剛架；結構設計；問題；建議 &

2、lt;/p><p>　　中圖分類號： TU318文獻標識碼： A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　在具體工程中，門式剛架結構具有不可代替的優(yōu)越性，因為門式剛架是典型的輕型鋼結構，其用在工程中，不僅可以大大節(jié)省材料，還會縮減施工周期。因此，現(xiàn)階段我國門式剛架在國內(nèi)的應用相當廣泛。然而，在設計階段會出現(xiàn)一些比較嚴重的問

3、題，致使在應用時對工程造成影響。 </p><p>　　門式剛架重要設計方法——彈性設計法 </p><p>　　彈性設計法首先根據(jù)荷載分析內(nèi)力，然后驗算柱子的強度，平面內(nèi)外的穩(wěn)定性，驗算斜梁的強度和平面外穩(wěn)定。在強度和平面外的穩(wěn)定計算公式上看,我國與歐美國家相差不大。在強度計算上，我們利用彈性設計或允許開展部分塑性,而西方發(fā)達國家根據(jù)板件寬厚比對截面分類，要分別采用完全彈性或完全塑性設計

4、法,這可造成5%左右的應力差距。平面外穩(wěn)定的計算公式與外國公式及試驗資料進行過比較而確定，因而無太大的差別。 對門架的平面內(nèi)有側移失穩(wěn)，我們根據(jù)橫梁展開的線剛度與柱的線剛度比值，查表或用近似公式確定柱子計算長度，對柱腳鉸接的情況，計算長度系數(shù)在2~4之間，大部分在2.5~3.5之間，5m長的門架柱要按12~15m長確定壓桿穩(wěn)定系數(shù)。 隨著屋面坡度的降低，門架結構出現(xiàn)了通常薄殼結構才會遇到的新的一類失穩(wěn)形式——跳躍失穩(wěn)，國內(nèi)對門架的這類失

5、穩(wěn)現(xiàn)象尚未研究過，英國鋼結構新規(guī)范已有這方面的設計公式。 橫梁在檐口部位的下翼緣受壓，上翼緣受拉，此時橫梁僅在受拉區(qū)有檁條側向支撐，不能將其作為橫梁的完全的側向支撐。設計手冊要求通過設置隅撐來防止梁的側向彎扭失穩(wěn)。 </p><p>　　門式剛架輕型房屋鋼結構設計存在的問題 設計方面的問題主要是在結構形式和布置、屋面活荷載取值、節(jié)點的設計、檁條計算和搖擺柱穩(wěn)定計算等幾個方面： （一）結構形式以及布置問題 <

6、/p><p>　　要依據(jù)房屋的體系特點、荷載分布情況及性質(zhì)等全面考慮和確立房屋結構形式以及布置，因為其設計好門式剛架輕型房屋的基礎就是結構形式以及布置。一般情況下，要力學模型清晰，盡可能將大荷載或者移動荷載的作用范圍進行限制，以使荷載直接的傳遞到基礎。對于規(guī)范中沒有涉及到的或難以精確分析的問題，可以根據(jù)整體結構體系和分體系的力學關系、自然災害等中獲得的設計理念，從不同方面來確定輕型結構房屋的結構形式及其布置。 （二）

7、屋面活荷載取值 </p><p>　　《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002第3.2.2中規(guī)定：對受荷水平投影面積大于60m2剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取用不小于0.3kN/m2。但同時在《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003第3.2.1中規(guī)定對支撐輕屋面的構件或結構（屋架、框架等），當僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60m2時，屋面均布活荷載標準值應取為0.3kN/m2

8、。由于《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002為協(xié)會標準，屬推薦性標準。《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003為國家標準，屬強制性標準。按照我國相關法律法規(guī)，推薦性標準應服從強制性標準，因此，屋面活荷載屋面均布活荷載標準值應取為0.3kN/m?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002第3.2.5中規(guī)定：屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中的較大值，設計過程中應注意。（三）檁條的計算 <

9、;/p><p>　　檁條多采用冷彎薄壁構件，檁條計算問題較大，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，當受力彎曲時，應采用有效寬度進行強度計算，不能像熱軋型鋼那樣全截面有效。在設計時常常將強度計算要用凈斷面的情況忽略掉，忽略釘孔減弱。當這種情況減到一定數(shù)值時會對小截面窄翼緣的梁影響較大。 </p><p><b>　?。ㄋ模┕?jié)點的設計 </b></p><p&g

10、t;　　《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102：2002第7.2.3、7.2.4中規(guī)定：主剛架構件的連接應采用高強螺栓，可采用承壓型或摩擦型連接;端板連接的螺栓應成對對稱布置。 </p><p>　　端板連接節(jié)點承受彎矩，在螺栓中產(chǎn)生拉力，同時端板和柱子的翼緣之間產(chǎn)生橇力,使螺栓承受更大的拉力。英美等國都顯示計算橇力，將橇力作為螺栓承受外載的一部分進行計算。而我們則通過對螺栓的容許拉應力進行折減，相當于

11、考慮橇力大小為0.25倍的由彎矩產(chǎn)生的螺栓拉力，并且不再對橇力進行計算。節(jié)點的設計其實應包含端板、柱子翼緣柱子腹板等的強度和穩(wěn)定計算，并由此判斷是否需要設置加勁肋。端板應驗算它是否會形成板的塑性機構，并以此確定端板的厚度。柱子翼緣也驗算它是否會形成機構，即形成機構時的承載力，如果承載力不足,則要設置加勁肋。柱子腹板應驗算受拉和受壓區(qū)的強度，受壓區(qū)腹板的穩(wěn)定性,節(jié)點區(qū)腹板的抗剪強度和節(jié)點區(qū)在剪力作用下的穩(wěn)定性。 </p>&

12、lt;p>　?。ㄎ澹u擺柱穩(wěn)定性計算問題 </p><p>　　帶中間鉸接柱的新型多跨門架結構，在結構設計中出現(xiàn)了一個新問題：帶擺柱結構的穩(wěn)定性計算問題。這一問題的特殊性在于，擺柱承受豎向荷載的能力是由其他柱子提供的。沒有其他結構，中間鉸接柱會像一個擺一樣繞柱腳轉(zhuǎn)動，所以西方學者對它有一個專門的名字：擺柱。 擺柱結構的平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定計算，要記住的一點:擺柱的穩(wěn)定性靠它的鄰柱提供,因而加重了鄰柱的負擔，鄰

13、柱的計算長度系數(shù)要相應增大。增大多少戶具體情況應具體分析。陷阱框架，國內(nèi)有的資料對擺柱給出過大于1.0的系數(shù)。實際上擺柱本身的穩(wěn)定計算總是按兩端鉸接柱考慮計算長度系數(shù)取應引起注意。 </p><p><b>　　三、問題建議 </b></p><p>　?。ㄒ唬╅T式剛架結構平面布置 </p><p>　　門式剛架輕型房屋結構的溫度區(qū)段長度：縱向

14、溫度區(qū)段不大于300米；橫向溫度區(qū)段不大于150米。當需要設置橫向伸縮縫時，可用兩種做法：一種簡單但比較昂貴的處理辦法是在伸縮縫處采用雙剛架，剛架的間距以保證柱腳底板不相碰為依據(jù)。以雙剛架為界，結構兩邊各自具有獨立的檁條、支撐和維護板系統(tǒng)，其中屋面板和墻面板使用可伸縮的連接件相連。在縱向伸縮縫處需要設置防火墻的情況下，這種處理方法是必須的。另一種方法較為經(jīng)濟，具體辦法是：在伸縮縫處只設置一榀剛架，而在伸縮縫處的檁條上，設置橢圓長孔來吸收

15、該點的熱位移。 </p><p>　　單層門式剛架的跨度，一般情況下以跨度為21-30米時比較經(jīng)濟。 </p><p>　　剛架的合理間距。剛架的用鋼量一般來說隨其間距額度增大而減小，但吊車梁，檁條，墻梁的用鋼量則隨剛架間距的增大而增大。對于無橋式吊車的單層門式剛架輕型房屋，剛架間距以6-9米為宜；通常，大跨度剛架宜采用大間距，跨度與間距的比一般以3.5-5為宜。對于有10噸以上吊車或較大

16、的懸掛荷載的單層門式剛架輕型房屋，剛架間距以6米為宜。 </p><p>　?。ǘ┝褐?jié)點的最優(yōu)化 </p><p>　　輕型門式剛架房屋鋼結構的梁柱節(jié)點通常采用端板相接，端板相接種類分為端板豎放、端板斜放和端板平放三種形式，具體每種放置形式又可細分為外伸和平齊兩種設計方法。經(jīng)過運用力學知識，進行受力分析。計算說明，端板平齊式相接因為連接剛度相對比較小，通常情況下很難滿足剛性節(jié)點的設計需

17、求，相對而言，端板外伸式節(jié)點的受力較合理，且荷載力也較端板平齊式相接高；此外，通過分析計算說明，端板豎放的節(jié)點設計內(nèi)力相對較大，節(jié)點相接處的剪力和彎矩也相應較大，從而導致相對應的形變也相對增加，而平放節(jié)點的剛度與豎放節(jié)點的剛度相差很小，然而設計的軸向壓力卻大，剪力卻較小，這樣設計對節(jié)點受力有好處，節(jié)點處比較牢固，變形也相對微小，就相同梁柱截面的節(jié)點處剛度而言，端板斜放式雖然比端板平放和豎放的大，但因為對施工工人的技術要求較高而較少采納運

18、用，在實際施工過程中，通常多采用端板豎放外伸式和端板平放外伸式節(jié)點相接形式，從而達到提升節(jié)點的剛度，盡量減少結構發(fā)生變形的目的。 </p><p>　　（三）最優(yōu)化截面的選擇 </p><p>　　門式剛架常常采用實腹式梁和柱、梁柱的截面也隨內(nèi)力變化而變化，往往由其撓度控制截面尺寸，而不是由強度控制，楔形柱的最大截面高度通常取最小截面高度的2~3倍，無吊車輕型鋼結構房屋，還要注意柱截面和梁

19、截面的協(xié)調(diào)，通過調(diào)整梁柱截面關系可以達到節(jié)省鋼材的目的。當變形直接影響剛架截面時，可以通過調(diào)整梁連接處截面和剛架柱相接處，從而求出最小的用鋼量，在用窮竭法解決截面最優(yōu)化問題時，多變量因素導致了計算次數(shù)與構件數(shù)目是呈指數(shù)關系比例增加的，當設計工程師確定了結構形式后，通常常用辦法，最優(yōu)化截面是根據(jù)構件的內(nèi)力變化來相應調(diào)整截面的尺寸大小，經(jīng)過多次反復測算最終確定最優(yōu)化的截面大小。 </p><p><b>　

20、　結語 </b></p><p>　　綜上所述，門式剛架結構設計要注意結構形式以及布置問題、節(jié)點的設計問題、以及檁條計算和搖擺柱穩(wěn)定計算問題，只有將該類結構的設計概念充分理解，才能使門式剛架結構設計既符合應用要求，又經(jīng)濟、安全。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]王新剛,崔長中.輕型門式剛