[12-11 17:00:56] 来源：http://www.tmgc8.com 建筑设计 阅读：3425次
引 言
20世纪90年代以来，以门式刚架形式为主要受力结构的单层轻钢房屋在我国得到了广泛应用。门式刚架属于平面受力体系，通过不同高度、不同跨度的门式刚架单元组合，可灵活多变地满足各种不同的建筑要求；平面布置基本不受限制，立面布置也可以高低错落变化。单个构件可设计为等截面以方便制作，也可以设计为变截面以节省用钢量。且屋面和墙面采用轻型的压型钢板。因此，门式刚架轻型钢结构自重轻、用钢量省、造价低，抗震性能好，在7度设防地区地震力通常不控制设计，可跨越较大跨度，制作简单，施工周期短且不需大型施工机械，深受广大用户和制作、安装企业的欢迎。
本文对轻型门式刚架结构设计中遇到的几个问题，结合对《冷弯薄壁型钢结构设计规范》（GB50018-2002）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）的理解，进行一些探索。
一、门式刚架的适用范围
1.1 跨度大或高度较高的门式刚架
CECS102:2002适用于主要承重结构为单跨或多跨单层门式刚架轻型房屋，其屋面和墙面维护体系应为轻型屋盖和轻型外墙，及主要采用金属压型钢板的屋面墙面。不仅因为轻型屋面和墙面重量轻，且可利用其应力蒙皮效应，有利于加强作为平面结构的门式刚架的整体刚度。这是轻型门式刚架结构区别于普通钢结构的重要特点。GB50018-2002指出，现场实测表明，具有可靠连接的压型钢板维护体系的建筑物，其承载能力和刚度均大于按裸骨架算的的值。这种因维护体系在自身平面内的抗剪能力而加强了的结构整体工作性能的效应成为受力蒙皮作用，或成为蒙皮效应。考虑受力蒙皮效应不仅能节省材料和工程造价，还能反映结构的真实工作性能，提高结构的可靠性。因此，门式刚架的跨度不宜大于36m，檐口高度不大于15m。跨度太大或檐口太高，刚架构件自身的刚度较大，屋面或墙面的蒙皮刚度相对较小，其加强刚架结构整体刚度的作用不大，几乎可忽略不计，与普通钢结构没有多大区别，CECS102:2002不再适用。因此，对于跨度大于36m或檐口高度大于15m的情况，可采用门式钢架这种结构形式，但应遵照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）相关规定进行设计。
跨度大于等于36m的实腹式门式刚架，由于梁的高度较大，轻钢房屋梁的翼缘跨度一般不大，隅撑—冷弯薄壁型钢檩条体系提高的侧向刚度较小，须采取措施防止梁受压翼缘的屏幕外失稳。工程中有两种做法可供参考：一种是将屋盖横向制成的直腹杆通过隅撑约束下翼缘，在下翼缘的相应位置设置纵向通长系杆（刚性或柔性），屋盖横向支撑的直腹杆不仅承受作为支撑桁架腹杆的轴力，还承受下翼缘（包括相邻横向支撑之间一般开间的斜梁下翼缘）通过与直腹杆相连的隅撑传来的力；另一种是在对应于屋盖横向支撑直腹杆的位置、在斜梁腹板靠近上翼缘处设置纵向通长刚性系杆，杆端连接采用螺栓，并通过隅撑约束下翼缘，该种做法用钢量略多。刚架跨度不小于60m或更大时，斜梁宜采用折线形或截面采用桁架形式，屋盖支撑处设置横向水平支撑外，必须设置纵向水平支撑，支撑杆件及系杆应采用型钢，不宜采用冷弯薄壁型钢构件。
1.2 有局部夹层的门式刚架
所谓局部夹层筋限于面积较小的内置轻型办公室，当采用混凝土楼板时，对设防烈度在7度和以上地区，若使用要求许可，最好把局部夹层与主体结构用防震缝分开。因为夹层结构与主体结构相连，房屋的平面刚度变化较大，使主体结构的内力分布发生变化，对整幢房屋在水平荷载作用下的受力不利。
如果沿山墙布置夹层而不与主体结构脱开，则形成相对独立的二层结构，当采用混凝土楼板时，计算时必须考虑刚心和形心的偏置引起的扭转，计算方法比较繁杂；也可考虑在夹层的周边设置较强的支撑，将夹层产生的地震力直接传给自身基础，房屋抗震设计不考虑夹层的影响。
如果沿边柱列布置夹层直接与门式刚架相连而成的混合型门式刚架，带有夹层的刚架采用混凝土楼板时，其高度一般远大于不带夹层的相邻刚架，同样存在刚心和形心偏置引起扭转。因此，可在有夹层的屋盖上设置局部纵向水平支撑，并向两端各延伸一个开间，以协调各榀刚架的侧移，并设置相应的柱间支撑，将夹层产生的地震力通过支撑直接传给柱子基础，房屋抗震设计不考虑夹层的影响。www.tmgc8.com
二、摇摆柱的应用
摇摆柱两端铰接，构造简单，基本上只承受轴力作用，受力简单，所需截面较小，增大了房屋的使用面积；在竖向荷载作用下，柱顶斜梁负弯矩较大，有利于减小斜梁跨中挠度，从而降低刚架的用钢量。因此，门式刚架的中柱采用摇摆柱，体现了钢结构的优越性。
多跨门式刚架的中柱采用摇摆柱，对风荷载不是特别大且房屋高度不是特别高时，可减小刚架的用钢量，但由于摇摆柱两端铰接，将增加与斜梁刚接的柱子的负担，因此，两根与主梁刚接的柱之间摇摆柱数量不宜超过三根。此外，考虑摇摆柱实际有一定的嵌固弯矩，设计时宜将轴力乘以增大系数1.5以考虑弯矩产生的应力。对跨度大于30m的门式刚架，一般起檐口高度均大于10m，因此其中柱高度至少13m以上，为了保证刚架的整体刚度，一般在多跨刚架跨度大于27m时，不宜采用摇摆柱。
摇摆柱不能承受水平力，其自身的稳定性依赖于与之相连的斜梁。因此，不应采用摇摆柱支撑托架或托梁。
三、屋盖纵向水平支撑的设置
对轻型门式刚架结构，主要通过各种支撑系统形成空间整体刚度，蒙皮效应仅作为一种安全储备。屋盖横向水平支撑和柱间支撑可有效解决建筑物承受的纵向水平力和纵向刚度，使平面受力刚架组成完整的空间结构，对一般门式刚架结构，可以不设屋盖纵向水平支撑。
当横向水平力分布不均匀且对横向刚度要求较严时，如:有吊车横向制动力作用时，当吊车吨位较大（对设有驾驶室操作且起重量大于15t桥式吊车），仅靠普通的蒙皮效应作用不足以保证各刚架的变形协调，为减小行车振动，使行车平稳运行，应在屋盖边缘设置通常的纵向水平支撑。
当建筑需抽柱设置托架梁时，托架梁的侧向刚度小，此时，应在托架梁处屋盖设置局部纵向水平支撑，并向两端各延伸一柱距，使各相邻刚架形成整体协调变形，以增强抽柱处刚架的横向刚度，从而提高结构的整体稳定性。
当建筑物的平面内刚度有突变时，如带夹层的门式刚架，其刚度远大于相邻不带夹层的刚架，因此，宜设置纵向水平支撑，以协调、缓和各刚架的侧移偏差。
四、冷弯薄壁型钢檩条的设计计算
轻型门式刚架结构体系中，作为次结构的冷弯薄壁型檩条，因国家相关技术规范尚不完善，其设计计算远滞后于实际工程的应用发展。冷弯薄壁型钢檩条与围护板的关系是：一方面支承围护板传递的荷载，另一方面得到围护板强有力的蒙皮效应作用。与主结构门式钢架的关系是：一方面通过适当构造方式对主结构的平面外稳定提供强有力的支撑，另一方面依靠主体结构支承。因此，檩条的受力工况格外复杂，采用普通钢结构构件的理想化计算模型不能满足其计算分析的需要。冷弯薄壁型钢檩条一般为C形或Z形，外荷载作用偏离剪心，产生扭矩作用。对薄壁型构件，扭矩产生的翘曲应力很大，不可忽略，因此，檩条的应力计算很复杂。
冷弯薄壁型钢檩条的稳定计算很复杂。因其存在三种屈曲模式：整体弯扭屈曲、局部屈曲和畸变屈曲，三种模式有着各自独立的理想化计算模式。但檩条的极限承载能力取决于三种屈曲模式相互关联的综合效果，因此，檩条的稳定分析计算极为复杂。GB50018-2002对檩条计算不考虑屋面板的蒙皮效应，按裸檩条的理想化模式，对局部屈曲和弯扭整体失稳的相关作用以有效截面的方法解决，不计算畸变屈曲，仅将理想化状态下畸变产生的翘曲应力直接叠加到总应力中去，对围护板的蒙皮效应，不能给出符合实际情况的考虑。北美规范则趋向于采用直接强度法计算冷弯薄壁型钢的极限承载力。考虑局部屈曲与整体弯扭屈曲的相关作用，对畸变屈曲则独立分析计算，不考虑与局部屈曲、整体弯扭屈曲的相关作用。欧洲规范则结合蒙皮效应试验与理论研究，给出了适合于围护板蒙皮作用下的檩条计算方法，我国CECS102:2002直接引用欧洲规范的计算公式来计算风吸力作用下的檩条稳定问题。但实际中为了满足防水需要，较少采用计算模式中直接用自攻钉固定的肋形板，大多为可滑动式屋面板，其构造与连接方式与前者大不相同，因此，采用该计算公式与实际仍有差异，该计算公式需知道屋面板对檩条的扭转约束刚度，而该扭转约束刚度只能依靠试验确定。www.tmgc8.com
五、结 语
结合GB50018-2002和CECS202:2002规范标准，本文对轻型门式刚架钢结构设计中遇到的几个问题：门式刚架的适用范围（尤其是一些不满足CECS202:2002规定范围的工程的处理措施）、摇摆柱应用中的处理措施、屋盖纵向水平支撑的设置以及冷弯薄壁型钢檩条设计计算等进行探讨，以期为门式刚架结构的设计提供一些有用的建议。
参考文献：
【1】中华人民共和国国家标准。冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）中国计划出版社，2002
【2】中国工程建设标准化协会.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)，2002
【3】中华人民共和国国家标准。钢结构设计规范（GB50017-2003）中国计划出版社，2003
【4】邱鹤年。钢结构设计禁忌及实例。中国建筑工业出版社，2009
【5】陈绍蕃。卷边槽钢的局部相关屈曲和畸变屈曲。建筑结构学报，2002，23（1）
作者：王新刚1 崔长中2
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