单层门式钢架的设计优化

2018-02-16曹正斌

建材与装饰 2018年2期

李耀曹正斌

（中机国际工程设计研究院有限公司湖南长沙 410000）

1 引言

21世纪后，我国不断引进新的设计理论和方法，为钢结构的运用和发展提供了有力保障。在新时代背景下，传统钢结构无法满足新工艺、新设备和新材料的使用需求，与钢筋混凝土结构和普通钢结构相比，单层门式钢架因其优越性和经济效益，迅速成为业内人士关注的热点。在建筑工程中，若是单跨钢架则采用钢接焊接，若为多跨则采用钢接和铰接混合设计，这种设计方式能够有效保证构件不受外力影响而发生形变，值得引起关注与重视。

2 单层门式钢架国内外发展状况

2.1 国外发展与研究现状

单层门式钢架最早出现在美国，经过长时间发展与运用，现在已经形成一种相对完善的结构体系。随着设计形式多样化发展，业主无需带着图纸委托施工，只需要向承包商进行订购，且承包商能按照业主的要求在规定时间内完成、交付即可。据调查单层门式钢架在国外各行业领域中的运用情况为：商业（银行、车库设施等）占比42%，制造业（制造厂房、仓库等）占比34%，文化娱乐业（学校、医院、福利设施等）占比9%，其它（简易房、小型工厂、改扩建等）占比15%。

2.2 国内发展与研究现状

我国单层门式钢架结构的研究与应用起步相对较晚，根据我国经济建设的需要，建设部将“轻型钢结构门式钢架”作为快速房屋体系发展的方向之一，在相关城市厂房工程中进行了试点研究，为门式钢架结构的应用积累了经验。为了更好地推动门式钢架结构的发展，我国建筑金属结构协会等单位联合研究并编制了《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》，该规范为门式钢架结构的运用与发展提供了可靠的技术基础。

近几年，我国这对门式钢架设计的研究主要集中在门式钢架抗震设计、轻型钢结构稳定性研究与轻钢结构的蒙皮效应等方面。

3 单层门式钢架结构的主构件优化设计

3.1 钢架的建筑尺寸和布置

单层门式钢架跨度适宜控制在10～35m内，若柱宽度不均等，应将其统一向外侧对齐；门式钢架结构的高度可根据室内高度进行调整，一般在4.5～9m内；门式钢架间的距离需要综合考虑到钢架跨度、负荷大小，通常可将间距设置为6m、7.5m和9m；确保纵向、横向温度区段分别小于300m、150m。

钢架荷载的荷载组合：

（1）屋面均布荷载不与雪荷载同时考虑，应选取二者中的较大值；

（2）同时考虑积灰荷载与雪荷载或屋面均布活载中的较大值；

（3）风荷载不可与地震荷载一同考虑。

3.2 钢架最优间距的确定

钢架间距的确定与屋面荷载、檩条形式等原因相关，若钢架跨度较小的话，选用较大的钢架间距则会增加檩条的用钢量，经济性较差。经过相关计算可知，随着柱距的增加，钢架用钢量比例呈逐渐下降的趋势，当柱距增大到一定数值后，钢架用钢量的下降幅度较为平缓。通常柱高6m时，各种跨度对应的钢架最优间距为：跨度在9～12m范围时，最优间距为5.5m；跨度在12～18m时，最优间距为6m；跨度在18～36m范围时，最优间距为6～7.5m；跨度在36～45m范围时，最优间距为1/5～1/6跨度。

3.3 单层门式钢架结构设计

（1）通常情况下，门式钢架结构构件强度和弯折性较弱，故在其运输和安装过程中应做好相应的防护措施，防止构件发生形变；

（2）做好墙体、房顶和面板间的对接处理，提高整个支撑结构的稳定性；

（3）由于构件属于钢材材质，故其使用过程中应考虑到钢材生锈对结构构件受力造成的负面影响；

（4）在单层门式钢架结构设计中，应合理处理轻型化造成的一系列问题，包括大风力可能会增加屋面荷载等；

（5）通常在实际应用中，单层门式钢结构会选择框排架结构体系，这一结构通过多榀并排平面主框架在某些纵向构件连接形成的空间结构体系；在主框架选型方面，通过钢屋架代替框架横梁，再将梯形屋架和三角屋架作为主要的结构形式。

3.4 连接节点的优化设计

单层门式钢架横梁与柱的连接通常采用以下三种形式：①端板竖放。这种连接形式对螺栓或焊缝的要求较高；②端板平放。这种连接形式的刚度较小，通常需要梁柱加腋，但安装操作较为便捷；③端板斜放。端板斜放钢架的刚度最大，但构件制造和安装的难度较大。斜梁拼接点适宜采用端板外伸式，这种类型的节点受力相对合理，承载力较高，故应尽量采用外伸式端板连接。

4 围护构件的优化设计

4.1 檩条与墙梁

檩条形式包括有型钢檩条和组合檩条，在门式钢架中常选用的截面形式为实腹式冷弯薄壁C型或Z型；檩条间距的确定应考虑到天窗面积及数量、采光度要求、檩条长度及刚度等因素，若工程没有特殊要求的话，通常采用等间距布局，即在屋脊两侧均匀布置一道，在天沟布置一道。墙梁通常支撑于建筑物的承重柱或墙架柱上，将墙体的荷载传递给柱子；墙梁布置原则与檩条相似。