单层门式刚架厂房钢结构设计
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摘要：近年来，单层门式刚架以其自重轻、跨度大、工业化程度高、安装方便快捷以及可拆卸重复使用等优点被广泛应用于厂房设计中。对单层门式刚架厂房的设计经验与注意事项进行了分析总结，并结合理论和实例分析对厂房优化设计进行了初步探讨。
1. 计算模型与整体分析
(1)计算模型：对于大多数厂房而言，由于其长宽比较大，结构最不利方向比较明显，且横向主刚架采用刚接，纵向采用刚性系杆等构件铰接连接，通过设置支撑来形成几何不变体系，所以多采用二维平面结构计算模型进行分析；而对于一些长宽比较小的厂房，如果纵向采用支撑桁架来连接，刚架两个方向刚度相差不大，此时结构形式已接近框架结构，则应采用空间结构计算模型进行分析计算。
(2)荷载：应注意悬挂荷载不可遗漏；对于多跨多坡厂房或有女儿墙、天沟的厂房还应注意考虑风、雪荷载不利作用和活荷载的不利布置对结构的影响。
当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2(如檩条等构件的设计)，但对受荷水平投影面积大于60m2的主刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2。
(3)风荷载和地震作用：风荷载不与地震作用同时考虑。由于单层门式刚架质量较轻，地震反应较小，在不大于7度区的地方，厂房的整体计算通常由风、雪、活荷载控制，因此在这些地方，一般不需作刚架的抗震验算。
对浙江地区而言，由于风荷载较大，一般单层厂房(无吊车或吊车较轻)的整体计算通常由风荷载控制，构件设计由变形控制。
(4)变形验算：相对于强度验算，单层门式刚架厂房的变形验算往往容易忽视。刚架的变形验算应注意以下几个问题：
计算刚架变形时，钢结构构件可不考虑螺栓孔引起的截面削弱，而直接采用全截面计算。刚架的变形验算主要包括刚架柱顶位移和刚架梁的挠度验算两个方面，具体要求见表1[2]。
2. 柱脚及基础
(1)柱脚：单层门式刚架厂房多采用外露式柱脚，且多按铰接设计；当厂房有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。设计柱脚锚栓时，应使锚栓的屈服在底板和柱构件的屈服之后，因此，设计中对锚栓应有足够的余量。
柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹(保护层厚度不应小于50mm)，并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面不小于100mm。经现场调研发现，未采用混凝土包裹的柱脚，即使采取了其他防锈措施，柱脚锚栓、底板等也出现了不同程度的锈蚀，存在着安全隐患，因此当柱脚在地面以上时，如果厂家使用无碍，宜同样采用混凝土包裹。
(2)基础：单层门式刚架厂房的基础可采用柱下独立基础。
对于采用铰接柱脚的厂房，基础设计由柱底轴力控制；而对于采用刚接柱脚的厂房，基础设计大多由柱底弯矩控制，此时应注意柱下独立基础零应力区的控制。由前面的分析可知，浙江地区单层门式刚架厂房设计主要由风荷载控制，因此抗规4.2.4条：“基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%”在此并不适用。考虑到风荷载峰值出现概率较高且工程上有刚架在大风时基础被拔起的实例，因此单层门式刚架厂房基础不宜出现零应力区(对无吊车的门式刚架厂房可适当允许出现零应力区)，有条件的地区，基础底板上方可采用毛石灌砂或浆砌毛石回填以增加回填土自重。
3单层门式刚架厂房的结构构件设计
(1)主刚架：主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状设计成变截面以达到节约材料的目的(有吊车的厂房通常在牛腿处变截面)；中柱以承受轴力为主，一般可采用等截面。对于一些跨度较大吊车较重的厂房也可采用格构式柱。屋面坡度(刚架梁坡度)宜取1/8~1/20，在雨水较多的地区宜取其中的较大值。浙江地区一般取1/10。
(2)支撑体系：在设置支撑时应注意在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。厂房不设置吊车或设置5t以下吊车时，可采用圆钢支撑以降低造价；厂房设置5t及以上吊车时，柱间支撑宜采用型钢支撑；在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。
屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间，当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。
(3)檩条和墙梁：除檩条和墙梁的强度和挠度计算外，檩条和墙梁在风吸力作用下的稳定性计算尤其应该引起注意。工程实践表明，檩条和墙梁的破坏大部分是在风吸力作用下的失稳。
(4)抗风柱：抗风柱主要承受水平力，竖向允许和刚架产生相互位移，因此应注意抗风柱与刚架的连接形式。浙江地区常用的连接形式有以下两种（图1，图2）。
4. 单层门式刚架厂房的实例分析
遵循以上设计分析，笔者进行了很多实际工程设计工作，现将其中一个工程概况简述如下：工程所在地浙江地区某地，基本风压0.6kN/m2，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15m/s2(图3，图4)。
实例一：1＃仓库(图3)。
柱距7.5m，双跨多坡，每跨27m，无吊车，柱脚采用铰接，主刚架、檩条、支撑均采用Q235B。
边柱H(300~800)×250×8×10；中柱H(300~600)×250×8×10；抗风柱H300×200×6×8；檐口高度5.0m，刚架梁在两端1/5范围内变截面H(900~350)×200×6×10，在跨中1/6范围内变截面H(350~500)×200×6×10中间截面H350×200×6×10。
檩条、墙梁均采用C250×70×20×2.5，采用两道拉条。
实例二：2＃厂房(图4)。
柱距7.5m，双跨双坡，每跨18m，5t桥式吊车三台(其中一跨两台)，柱脚采用固接，主刚架采用Q345B，檩条、支撑均采用Q235B。
边柱H450×250×10×12(H450×250×8×12)；中柱H450×250×8×12；抗风柱H400×200×6×8；檐口高度9.8m，刚架梁在两端1/5范围内变截面H(650~350)×280×6×8，中间截面H350×180×6×8。
檩条、墙梁均采用C250×70×20×2.5，采用两道拉条。
5. 单层门式刚架厂房的优化设计
所谓单层门式刚架厂房的优化设计就是在满足计算要求下，尽量达到节省材料的目的。根据以上理论和实例分析，对刚架厂房的优化设计进行以下初步探讨。
(1)结构重要性系数：当厂房设计使用年限为25年时，结构重要性系数取不小于0.95。这项规定对使用年限较少的厂房可降低用钢量。
(2)门式刚架的柱距：一般情况下，门式刚架的柱距应在6~9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙梁体系的用钢量将增加很多(浙江地区工程经验，7.5m柱距时檩条、墙梁经济性较好)；而主刚架的用钢量随着柱距的增大变化相对较小，如果需要较大柱距时，也可采用格构式檩条来降低用钢量。
(3)门式刚架的经济跨度：一般门式刚架的经济跨度在18~30m，跨度较大时，用钢量呈明显上升趋势，因此不可盲目追求大跨度。
(4)多跨厂房：对于多跨厂房，当有大吨位吊车时，应尽量布置到中间跨(中柱以承受轴力为主)；多跨厂房由于侧向刚度较大，在柱距、跨度及吊车吨位相差不多的情况下，其经济性比单跨厂房要好。
(5)对于主刚架截面：变截面柱的最大截面高度取最小截面高度的2~3倍为较优截面；刚架梁变截面长度一般取跨度的1/6~1/5较为经济。对于主刚架采用的钢材，可以遵循以下原则：当梁柱截面为变形控制时，宜采用Q235等碳素结构钢；当梁柱截面为强度控制时，宜采用Q345等低合金结构钢。
(6)灵活运用刚性系杆及隅撑：当檐口较高时，可在柱平面外设置刚性系杆或隅撑来降低柱平面外计算长度，也可在檩条、墙梁两端设置隅撑来降低梁柱平面外计算长度。
(7)刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求。
(8)拉条的使用：对檩条进行稳定计算时，可优先考虑拉条的使用，以降低檩条的截面。
(9)连续檩条：檩条和墙梁的用钢量约占总用钢量的1/3左右，虽然连续檩条的长度比简支的长，但是其断面要比简支小，总的比较连续檩条要比简支檩条用钢量低。缺点是施工麻烦，一般工程中厂家不愿采用。
(10)屋面板：应尽量采用由自攻螺丝连接的屋面板以阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转，同时可使蒙皮效应能充分发挥作用。
(11)墙板：墙板自重宜直接传至地面，可减小墙梁的用钢量。
(12)节点设计：节点用钢量也不可忽视，有条件的情况下可尽量减少节点数量，多使用等强焊接等连接形式。
6. 结语
单层门式刚架厂房的应用日益广泛，设计经验的分析总结是过去的终点同时也是今天的起点，而如何更加合理更加正确的进行单层门式刚架厂房的设计还需要广大结构设计者进行不断的努力和探索。
参考文献：
[1]张浩.门式刚架设计的几个问题[J].安徽工程科技学院学报，2005.
[2]CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[M].北京：中国计划出版社，2003.
[3]贾德成.门式刚架轻型钢结构工业厂房基础设计与研究.辽宁师专学报，2006.
[4]程习红.门式刚架优化设计[J].安徽建筑，2006.