門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計若干問題的探討

1、<p>　　門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計若干問題的探討</p><p>　　摘要：門式剛架因其自重輕，建設(shè)周期短及較好的抗震性能被建筑師和結(jié)構(gòu)師廣泛地應(yīng)用于建筑工程中，然而在實際設(shè)計中，會出現(xiàn)很多問題，致使運(yùn)用此結(jié)構(gòu)時也出現(xiàn)了許多問題。本文主要談?wù)勯T式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要方法以及其設(shè)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(guān)鍵詞：門式剛架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題；建議 &

2、lt;/p><p>　　中圖分類號： TU318文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　在具體工程中，門式剛架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用相當(dāng)廣泛。然而，在設(shè)計階段會出現(xiàn)一些比較嚴(yán)重的問

3、題，致使在應(yīng)用時對工程造成影響。 </p><p>　　門式剛架重要設(shè)計方法——彈性設(shè)計法 </p><p>　　彈性設(shè)計法首先根據(jù)荷載分析內(nèi)力，然后驗算柱子的強(qiáng)度，平面內(nèi)外的穩(wěn)定性，驗算斜梁的強(qiáng)度和平面外穩(wěn)定。在強(qiáng)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(qiáng)度計算上，我們利用彈性設(shè)計或允許開展部分塑性,而西方發(fā)達(dá)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(shè)計

4、法,這可造成5%左右的應(yīng)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(jìn)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(cè)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)了通常薄殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)新規(guī)范已有這方面的設(shè)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(cè)向支撐，不能將其作為橫梁的完全的側(cè)向支撐。設(shè)計手冊要求通過設(shè)置隅撐來防止梁的側(cè)向彎扭失穩(wěn)。 </p><p>　　門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題 設(shè)計方面的問題主要是在結(jié)構(gòu)形式和布置、屋面活荷載取值、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計、檁條計算和搖擺柱穩(wěn)定計算等幾個方面： （一）結(jié)構(gòu)形式以及布置問題 <

6、/p><p>　　要依據(jù)房屋的體系特點(diǎn)、荷載分布情況及性質(zhì)等全面考慮和確立房屋結(jié)構(gòu)形式以及布置，因為其設(shè)計好門式剛架輕型房屋的基礎(chǔ)就是結(jié)構(gòu)形式以及布置。一般情況下，要力學(xué)模型清晰，盡可能將大荷載或者移動荷載的作用范圍進(jìn)行限制，以使荷載直接的傳遞到基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)體系和分體系的力學(xué)關(guān)系、自然災(zāi)害等中獲得的設(shè)計理念，從不同方面來確定輕型結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)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(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取用不小于0.3kN/m2。但同時在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003第3.2.1中規(guī)定對支撐輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)（屋架、框架等），當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取為0.3kN/m2

8、。由于《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002為協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，屬推薦性標(biāo)準(zhǔn)。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003為國家標(biāo)準(zhǔn)，屬強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。按照我國相關(guān)法律法規(guī)，推薦性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)服從強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，因此，屋面活荷載屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取為0.3kN/m?！堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(yīng)取兩者中的較大值，設(shè)計過程中應(yīng)注意。（三）檁條的計算 <

9、;/p><p>　　檁條多采用冷彎薄壁構(gòu)件，檁條計算問題較大，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，當(dāng)受力彎曲時，應(yīng)采用有效寬度進(jìn)行強(qiáng)度計算，不能像熱軋型鋼那樣全截面有效。在設(shè)計時常常將強(qiáng)度計算要用凈斷面的情況忽略掉，忽略釘孔減弱。當(dāng)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>　　（四）節(jié)點(diǎn)的設(shè)計 </b></p><p&g

10、t;　　《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：2002第7.2.3、7.2.4中規(guī)定：主剛架構(gòu)件的連接應(yīng)采用高強(qiáng)螺栓，可采用承壓型或摩擦型連接;端板連接的螺栓應(yīng)成對對稱布置。 </p><p>　　端板連接節(jié)點(diǎn)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(jìn)行計算。而我們則通過對螺栓的容許拉應(yīng)力進(jìn)行折減，相當(dāng)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(jìn)行計算。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計其實應(yīng)包含端板、柱子翼緣柱子腹板等的強(qiáng)度和穩(wěn)定計算，并由此判斷是否需要設(shè)置加勁肋。端板應(yīng)驗算它是否會形成板的塑性機(jī)構(gòu)，并以此確定端板的厚度。柱子翼緣也驗算它是否會形成機(jī)構(gòu)，即形成機(jī)構(gòu)時的承載力，如果承載力不足,則要設(shè)置加勁肋。柱子腹板應(yīng)驗算受拉和受壓區(qū)的強(qiáng)度，受壓區(qū)腹板的穩(wěn)定性,節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板的抗剪強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)區(qū)在剪力作用下的穩(wěn)定性。 </p>&

12、lt;p>　　（五）搖擺柱穩(wěn)定性計算問題 </p><p>　　帶中間鉸接柱的新型多跨門架結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)了一個新問題：帶擺柱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，中間鉸接柱會像一個擺一樣繞柱腳轉(zhuǎn)動，所以西方學(xué)者對它有一個專門的名字：擺柱。 擺柱結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定計算，要記住的一點(diǎn):擺柱的穩(wěn)定性靠它的鄰柱提供,因而加重了鄰柱的負(fù)擔(dān)，鄰

13、柱的計算長度系數(shù)要相應(yīng)增大。增大多少戶具體情況應(yīng)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(yīng)引起注意。 </p><p><b>　　三、問題建議 </b></p><p>　　（一）門式剛架結(jié)構(gòu)平面布置 </p><p>　　門式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)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(dāng)需要設(shè)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(jié)構(gòu)兩邊各自具有獨(dú)立的檁條、支撐和維護(hù)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(shè)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(jì)，具體辦法是：在伸縮縫處只設(shè)置一榀剛架，而在伸縮縫處的檁條上，設(shè)置橢圓長孔來吸收

15、該點(diǎn)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(jì)。 </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>　　（二）梁柱節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化 </p><p>　　輕型門式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)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(xì)分為外伸和平齊兩種設(shè)計方法。經(jīng)過運(yùn)用力學(xué)知識，進(jìn)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(diǎn)的設(shè)計需

17、求，相對而言，端板外伸式節(jié)點(diǎn)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(diǎn)設(shè)計內(nèi)力相對較大，節(jié)點(diǎn)相接處的剪力和彎矩也相應(yīng)較大，從而導(dǎo)致相對應(yīng)的形變也相對增加，而平放節(jié)點(diǎn)的剛度與豎放節(jié)點(diǎn)的剛度相差很小，然而設(shè)計的軸向壓力卻大，剪力卻較小，這樣設(shè)計對節(jié)點(diǎn)受力有好處，節(jié)點(diǎn)處比較牢固，變形也相對微小，就相同梁柱截面的節(jié)點(diǎn)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(shù)要求較高而較少采納運(yùn)

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(diǎn)相接形式，從而達(dá)到提升節(jié)點(diǎn)的剛度，盡量減少結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的目的。 </p><p>　?。ㄈ┳顑?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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(guān)系可以達(dá)到節(jié)省鋼材的目的。當(dāng)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(dǎo)致了計算次數(shù)與構(gòu)件數(shù)目是呈指數(shù)關(guān)系比例增加的，當(dāng)設(shè)計工程師確定了結(jié)構(gòu)形式后，通常常用辦法，最優(yōu)化截面是根據(jù)構(gòu)件的內(nèi)力變化來相應(yīng)調(diào)整截面的尺寸大小，經(jīng)過多次反復(fù)測算最終確定最優(yōu)化的截面大小。 </p><p><b>　

20、　結(jié)語 </b></p><p>　　綜上所述，門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計要注意結(jié)構(gòu)形式以及布置問題、節(jié)點(diǎn)的設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計概念充分理解，才能使門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計既符合應(yīng)用要求，又經(jīng)濟(jì)、安全。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]王新剛,崔長中.輕型門式剛