摘要：近年來，單層門式剛架以其自重輕、跨度大、工業(yè)化程度高、安裝方便快捷以及可拆卸重復使用等優(yōu)點被廣泛應用于廠房設計中。對單層門式剛架廠房的設計經(jīng)驗與注意事項進行了分析總結(jié)，并結(jié)合理論和實例分析對廠房優(yōu)化設計進行了初步探討。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設計；單層門式剛架廠房
1. 計算模型與整體分析
(1)計算模型：對于大多數(shù)廠房而言，由于其長寬比較大，結(jié)構(gòu)最不利方向比較明顯，且橫向主剛架采用剛接，縱向采用剛性系桿等構(gòu)件鉸接連接，通過設置支撐來形成幾何不變體系，所以多采用二維平面結(jié)構(gòu)計算模型進行分析；而對于一些長寬比較小的廠房，如果縱向采用支撐桁架來連接，剛架兩個方向剛度相差不大，此時結(jié)構(gòu)形式已接近框架結(jié)構(gòu)，則應采用空間結(jié)構(gòu)計算模型進行分析計算。
(2)荷載：應注意懸掛荷載不可遺漏；對于多跨多坡廠房或有女兒墻、天溝的廠房還應注意考慮風、雪荷載不利作用和活荷載的不利布置對結(jié)構(gòu)的影響。
當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向均布活荷載的標準值(按水平投影面積計算)應取0.5kN/m2(如檁條等構(gòu)件的設計)，但對受荷水平投影面積大于60m2的主剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3kN/m2。
(3)風荷載和地震作用：風荷載不與地震作用同時考慮。由于單層門式剛架質(zhì)量較輕，地震反應較小，在不大于7度區(qū)的地方，廠房的整體計算通常由風、雪、活荷載控制，因此在這些地方，一般不需作剛架的抗震驗算。
對浙江地區(qū)而言，由于風荷載較大，一般單層廠房(無吊車或吊車較輕)的整體計算通常由風荷載控制，構(gòu)件設計由變形控制。
(4)變形驗算：相對于強度驗算，單層門式剛架廠房的變形驗算往往容易忽視。剛架的變形驗算應注意以下幾個問題：
計算剛架變形時，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可不考慮螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面計算。剛架的變形驗算主要包括剛架柱頂位移和剛架梁的撓度驗算兩個方面，具體要求見表1[2]。
2. 柱腳及基礎
(1)柱腳：單層門式剛架廠房多采用外露式柱腳，且多按鉸接設計；當廠房有5t以上橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。設計柱腳錨栓時，應使錨栓的屈服在底板和柱構(gòu)件的屈服之后，因此，設計中對錨栓應有足夠的余量。
柱腳在地面以下的部分應采用強度等級較低的混凝土包裹(保護層厚度不應小于50mm)，并應使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。當柱腳底面在地面以上時，柱腳底面應高出地面不小于100mm。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，未采用混凝土包裹的柱腳，即使采取了其他防銹措施，柱腳錨栓、底板等也出現(xiàn)了不同程度的銹蝕，存在著安全隱患，因此當柱腳在地面以上時，如果廠家使用無礙，宜同樣采用混凝土包裹。
(2)基礎：單層門式剛架廠房的基礎可采用柱下獨立基礎。
對于采用鉸接柱腳的廠房，基礎設計由柱底軸力控制；而對于采用剛接柱腳的廠房，基礎設計大多由柱底彎矩控制，此時應注意柱下獨立基礎零應力區(qū)的控制。由前面的分析可知，浙江地區(qū)單層門式剛架廠房設計主要由風荷載控制，因此抗規(guī)4.2.4條：“基礎底面與地基土之間零應力區(qū)面積不應超過基礎底面面積的15%”在此并不適用。考慮到風荷載峰值出現(xiàn)概率較高且工程上有剛架在大風時基礎被拔起的實例，因此單層門式剛架廠房基礎不宜出現(xiàn)零應力區(qū)(對無吊車的門式剛架廠房可適當允許出現(xiàn)零應力區(qū))，有條件的地區(qū)，基礎底板上方可采用毛石灌砂或漿砌毛石回填以增加回填土自重。
3單層門式剛架廠房的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計
(1)主剛架：主剛架由邊柱、剛架梁、中柱等構(gòu)件組成。邊柱和梁通常根據(jù)門式剛架彎矩包絡圖的形狀設計成變截面以達到節(jié)約材料的目的(有吊車的廠房通常在牛腿處變截面)；中柱以承受軸力為主，一般可采用等截面。對于一些跨度較大吊車較重的廠房也可采用格構(gòu)式柱。屋面坡度(剛架梁坡度)宜取1/8~1/20，在雨水較多的地區(qū)宜取其中的較大值。浙江地區(qū)一般取1/10。
(2)支撐體系：在設置支撐時應注意在設置柱間支撐的開間，宜同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。廠房不設置吊車或設置5t以下吊車時，可采用圓鋼支撐以降低造價；廠房設置5t及以上吊車時，柱間支撐宜采用型鋼支撐；在設有帶駕駛室且起重量大于15t橋式吊車的跨間應在屋蓋邊緣設置縱向支撐桁架。
屋蓋橫向支撐宜設在溫度區(qū)間端部的第一個或第二個開間，當端部支撐設在第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。
(3)檁條和墻梁：除檁條和墻梁的強度和撓度計算外，檁條和墻梁在風吸力作用下的穩(wěn)定性計算尤其應該引起注意。工程實踐表明，檁條和墻梁的破壞大部分是在風吸力作用下的失穩(wěn)。
(4)抗風柱：抗風柱主要承受水平力，豎向允許和剛架產(chǎn)生相互位移，因此應注意抗風柱與剛架的連接形式。浙江地區(qū)常用的連接形式有以下兩種。
4. 單層門式剛架廠房的實例分析
遵循以上設計分析，筆者進行了很多實際工程設計工作，現(xiàn)將其中一個工程概況簡述如下：工程所在地浙江地區(qū)某地，基本風壓0.6kN/m2，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15m/s2(圖3，圖4)。
實例一：1＃倉庫。
柱距7.5m，雙跨多坡，每跨27m，無吊車，柱腳采用鉸接，主剛架、檁條、支撐均采用Q235B。
邊柱H(300~800)×250×8×10；中柱H(300~600)×250×8×10；抗風柱H300×200×6×8；檐口高度5.0m，剛架梁在兩端1/5范圍內(nèi)變截面H(900~350)×200×6×10，在跨中1/6范圍內(nèi)變截面H(350~500)×200×6×10中間截面H350×200×6×10。
檁條、墻梁均采用C250×70×20×2.5，采用兩道拉條。
實例二：2＃廠房。
柱距7.5m，雙跨雙坡，每跨18m，5t橋式吊車三臺(其中一跨兩臺)，柱腳采用固接，主剛架采用Q345B，檁條、支撐均采用Q235B。
邊柱H450×250×10×12(H450×250×8×12)；中柱H450×250×8×12；抗風柱H400×200×6×8；檐口高度9.8m，剛架梁在兩端1/5范圍內(nèi)變截面H(650~350)×280×6×8，中間截面H350×180×6×8。
檁條、墻梁均采用C250×70×20×2.5，采用兩道拉條。
5. 單層門式剛架廠房的優(yōu)化設計
所謂單層門式剛架廠房的優(yōu)化設計就是在滿足計算要求下，盡量達到節(jié)省材料的目的。根據(jù)以上理論和實例分析，對剛架廠房的優(yōu)化設計進行以下初步探討。
(1)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：當廠房設計使用年限為25年時，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取不小于0.95。這項規(guī)定對使用年限較少的廠房可降低用鋼量。
(2)門式剛架的柱距：一般情況下，門式剛架的柱距應在6~9m之間，超過9m時，屋面檁條與墻梁體系的用鋼量將增加很多(浙江地區(qū)工程經(jīng)驗，7.5m柱距時檁條、墻梁經(jīng)濟性較好)；而主剛架的用鋼量隨著柱距的增大變化相對較小，如果需要較大柱距時，也可采用格構(gòu)式檁條來降低用鋼量。
(3)門式剛架的經(jīng)濟跨度：一般門式剛架的經(jīng)濟跨度在18~30m，跨度較大時，用鋼量呈明顯上升趨勢，因此不可盲目追求大跨度。
(4)多跨廠房：對于多跨廠房，當有大噸位吊車時，應盡量布置到中間跨(中柱以承受軸力為主)；多跨廠房由于側(cè)向剛度較大，在柱距、跨度及吊車噸位相差不多的情況下，其經(jīng)濟性比單跨廠房要好。
(5)對于主剛架截面：變截面柱的最大截面高度取最小截面高度的2~3倍為較優(yōu)截面；剛架梁變截面長度一般取跨度的1/6~1/5較為經(jīng)濟。對于主剛架采用的鋼材，可以遵循以下原則：當梁柱截面為變形控制時，宜采用Q235等碳素結(jié)構(gòu)鋼；當梁柱截面為強度控制時，宜采用Q345等低合金結(jié)構(gòu)鋼。
(6)靈活運用剛性系桿及隅撐：當檐口較高時，可在柱平面外設置剛性系桿或隅撐來降低柱平面外計算長度，也可在檁條、墻梁兩端設置隅撐來降低梁柱平面外計算長度。
(7)剛性系桿可由檁條兼作，此時檁條應滿足對壓彎構(gòu)件的剛度和承載力要求。
(8)拉條的使用：對檁條進行穩(wěn)定計算時，可優(yōu)先考慮拉條的使用，以降低檁條的截面。
(9)連續(xù)檁條：檁條和墻梁的用鋼量約占總用鋼量的1/3左右，雖然連續(xù)檁條的長度比簡支的長，但是其斷面要比簡支小，總的比較連續(xù)檁條要比簡支檁條用鋼量低。缺點是施工麻煩，一般工程中廠家不愿采用。
(10)屋面板：應盡量采用由自攻螺絲連接的屋面板以阻止檁條上翼緣側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，同時可使蒙皮效應能充分發(fā)揮作用。
(11)墻板：墻板自重宜直接傳至地面，可減小墻梁的用鋼量。
(12)節(jié)點設計：節(jié)點用鋼量也不可忽視，有條件的情況下可盡量減少節(jié)點數(shù)量，多使用等強焊接等連接形式。
6. 結(jié)語
單層門式剛架廠房的應用日益廣泛，設計經(jīng)驗的分析總結(jié)是過去的終點同時也是今天的起點，而如何更加合理更加正確的進行單層門式剛架廠房的設計還需要廣大結(jié)構(gòu)設計者進行不斷的努力和探索。
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