作者：王新剛¹  崔長中²

單位名稱：陜西壓延設備廠 

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    20世紀90年代以來，以門式剛架形式為主要受力結構的單層輕鋼房屋在我國得到了廣泛應用。門式剛架屬于平面受力體系，通過不同高度、不同跨度的門式剛架單元組合，可靈活多變地滿足各種不同的建筑要求；平面布置基本不受限制，立面布置也可以高低錯落變化。單個構件可設計為等截面以方便制作，也可以設計為變截面以節省用鋼量。且屋面和墻面采用輕型的壓型鋼板。因此，門式剛架輕型鋼結構自重輕、用鋼量省、造價低，抗震性能好，在7度設防地區地震力通常不控制設計，可跨越較大跨度，制作簡單，施工周期短且不需大型施工機械，深受廣大用戶和制作、安裝企業的歡迎。

   

    本文對輕型門式剛架結構設計中遇到的幾個問題，結合對《冷彎薄壁型鋼結構設計規范》（GB50018-2002）和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102:2002）的理解，進行一些探索。

 

    CECS102:2002適用于主要承重結構為單跨或多跨單層門式剛架輕型房屋，其屋面和墻面維護體系應為輕型屋蓋和輕型外墻，及主要采用金屬壓型鋼板的屋面墻面。不僅因為輕型屋面和墻面重量輕，且可利用其應力蒙皮效應，有利于加強作為平面結構的門式剛架的整體剛度。這是輕型門式剛架結構區別于普通鋼結構的重要特點。GB50018-2002指出，現場實測表明，具有可靠連接的壓型鋼板維護體系的建筑物，其承載能力和剛度均大于按裸骨架算的的值。這種因維護體系在自身平面內的抗剪能力而加強了的結構整體工作性能的效應成為受力蒙皮作用，或成為蒙皮效應。考慮受力蒙皮效應不僅能節省材料和工程造價，還能反映結構的真實工作性能，提高結構的可靠性。因此，門式剛架的跨度不宜大于36m，檐口高度不大于15m。跨度太大或檐口太高，剛架構件自身的剛度較大，屋面或墻面的蒙皮剛度相對較小，其加強剛架結構整體剛度的作用不大，幾乎可忽略不計，與普通鋼結構沒有多大區別，CECS102:2002不再適用。因此，對于跨度大于36m或檐口高度大于15m的情況，可采用門式鋼架這種結構形式，但應遵照《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）相關規定進行設計。

      

    跨度大于等于36m的實腹式門式剛架，由于梁的高度較大，輕鋼房屋梁的翼緣跨度一般不大，隅撐—冷彎薄壁型鋼檁條體系提高的側向剛度較小，須采取措施防止梁受壓翼緣的屏幕外失穩。工程中有兩種做法可供參考：一種是將屋蓋橫向制成的直腹桿通過隅撐約束下翼緣，在下翼緣的相應位置設置縱向通長系桿（剛性或柔性），屋蓋橫向支撐的直腹桿不僅承受作為支撐桁架腹桿的軸力，還承受下翼緣（包括相鄰橫向支撐之間一般開間的斜梁下翼緣）通過與直腹桿相連的隅撐傳來的力；另一種是在對應于屋蓋橫向支撐直腹桿的位置、在斜梁腹板靠近上翼緣處設置縱向通長剛性系桿，桿端連接采用螺栓，并通過隅撐約束下翼緣，該種做法用鋼量略多。剛架跨度不小于60m或更大時，斜梁宜采用折線形或截面采用桁架形式，屋蓋支撐處設置橫向水平支撐外，必須設置縱向水平支撐，支撐桿件及系桿應采用型鋼，不宜采用冷彎薄壁型鋼構件。

 

    所謂局部夾層筋限于面積較小的內置輕型辦公室，當采用混凝土樓板時，對設防烈度在7度和以上地區，若使用要求許可，最好把局部夾層與主體結構用防震縫分開。因為夾層結構與主體結構相連，房屋的平面剛度變化較大，使主體結構的內力分布發生變化，對整幢房屋在水平荷載作用下的受力不利。

如果沿山墻布置夾層而不與主體結構脫開，則形成相對獨立的二層結構，當采用混凝土樓板時，計算時必須考慮剛心和形心的偏置引起的扭轉，計算方法比較繁雜；也可考慮在夾層的周邊設置較強的支撐，將夾層產生的地震力直接傳給自身基礎，房屋抗震設計不考慮夾層的影響。

 

    如果沿邊柱列布置夾層直接與門式剛架相連而成的混合型門式剛架，帶有夾層的剛架采用混凝土樓板時，其高度一般遠大于不帶夾層的相鄰剛架，同樣存在剛心和形心偏置引起扭轉。因此，可在有夾層的屋蓋上設置局部縱向水平支撐，并向兩端各延伸一個開間，以協調各榀剛架的側移，并設置相應的柱間支撐，將夾層產生的地震力通過支撐直接傳給柱子基礎，房屋抗震設計不考慮夾層的影響。

 

    搖擺柱兩端鉸接，構造簡單，基本上只承受軸力作用，受力簡單，所需截面較小，增大了房屋的使用面積；在豎向荷載作用下，柱頂斜梁負彎矩較大，有利于減小斜梁跨中撓度，從而降低剛架的用鋼量。因此，門式剛架的中柱采用搖擺柱，體現了鋼結構的優越性。

 

    多跨門式剛架的中柱采用搖擺柱，對風荷載不是特別大且房屋高度不是特別高時，可減小剛架的用鋼量，但由于搖擺柱兩端鉸接，將增加與斜梁剛接的柱子的負擔，因此，兩根與主梁剛接的柱之間搖擺柱數量不宜超過三根。此外，考慮搖擺柱實際有一定的嵌固彎矩，設計時宜將軸力乘以增大系數1.5以考慮彎矩產生的應力。對跨度大于30m的門式剛架，一般起檐口高度均大于10m，因此其中柱高度至少13m以上，為了保證剛架的整體剛度，一般在多跨剛架跨度大于27m時，不宜采用搖擺柱。

 

    搖擺柱不能承受水平力，其自身的穩定性依賴于與之相連的斜梁。因此，不應采用搖擺柱支撐托架或托梁。

 

    對輕型門式剛架結構，主要通過各種支撐系統形成空間整體剛度，蒙皮效應僅作為一種安全儲備。屋蓋橫向水平支撐和柱間支撐可有效解決建筑物承受的縱向水平力和縱向剛度，使平面受力剛架組成完整的空間結構，對一般門式剛架結構，可以不設屋蓋縱向水平支撐。

 

    當橫向水平力分布不均勻且對橫向剛度要求較嚴時，如:有吊車橫向制動力作用時，當吊車噸位較大（對設有駕駛室操作且起重量大于15t橋式吊車），僅靠普通的蒙皮效應作用不足以保證各剛架的變形協調，為減小行車振動，使行車平穩運行，應在屋蓋邊緣設置通常的縱向水平支撐。

 

    當建筑需抽柱設置托架梁時，托架梁的側向剛度小，此時，應在托架梁處屋蓋設置局部縱向水平支撐，并向兩端各延伸一柱距，使各相鄰剛架形成整體協調變形，以增強抽柱處剛架的橫向剛度，從而提高結構的整體穩定性。

 

    當建筑物的平面內剛度有突變時，如帶夾層的門式剛架，其剛度遠大于相鄰不帶夾層的剛架，因此，宜設置縱向水平支撐，以協調、緩和各剛架的側移偏差。

 

    輕型門式剛架結構體系中，作為次結構的冷彎薄壁型檁條，因國家相關技術規范尚不完善，其設計計算遠滯后于實際工程的應用發展。冷彎薄壁型鋼檁條與圍護板的關系是：一方面支承圍護板傳遞的荷載，另一方面得到圍護板強有力的蒙皮效應作用。與主結構門式鋼架的關系是：一方面通過適當構造方式對主結構的平面外穩定提供強有力的支撐，另一方面依靠主體結構支承。因此，檁條的受力工況格外復雜，采用普通鋼結構構件的理想化計算模型不能滿足其計算分析的需要。冷彎薄壁型鋼檁條一般為C形或Z形，外荷載作用偏離剪心，產生扭矩作用。對薄壁型構件，扭矩產生的翹曲應力很大，不可忽略，因此，檁條的應力計算很復雜。

     

    冷彎薄壁型鋼檁條的穩定計算很復雜。因其存在三種屈曲模式：整體彎扭屈曲、局部屈曲和畸變屈曲，三種模式有著各自獨立的理想化計算模式。但檁條的極限承載能力取決于三種屈曲模式相互關聯的綜合效果，因此，檁條的穩定分析計算極為復雜。GB50018-2002對檁條計算不考慮屋面板的蒙皮效應，按裸檁條的理想化模式，對局部屈曲和彎扭整體失穩的相關作用以有效截面的方法解決，不計算畸變屈曲，僅將理想化狀態下畸變產生的翹曲應力直接疊加到總應力中去，對圍護板的蒙皮效應，不能給出符合實際情況的考慮。北美規范則趨向于采用直接強度法計算冷彎薄壁型鋼的極限承載力�？紤]局部屈曲與整體彎扭屈曲的相關作用，對畸變屈曲則獨立分析計算，不考慮與局部屈曲、整體彎扭屈曲的相關作用。歐洲規范則結合蒙皮效應試驗與理論研究，給出了適合于圍護板蒙皮作用下的檁條計算方法，我國CECS102:2002直接引用歐洲規范的計算公式來計算風吸力作用下的檁條穩定問題。但實際中為了滿足防水需要，較少采用計算模式中直接用自攻釘固定的肋形板，大多為可滑動式屋面板，其構造與連接方式與前者大不相同，因此，采用該計算公式與實際仍有差異，該計算公式需知道屋面板對檁條的扭轉約束剛度，而該扭轉約束剛度只能依靠試驗確定。

 

    結合GB50018-2002和CECS202:2002規范標準，本文對輕型門式剛架鋼結構設計中遇到的幾個問題：門式剛架的適用范圍（尤其是一些不滿足CECS202:2002規定范圍的工程的處理措施）、搖擺柱應用中的處理措施、屋蓋縱向水平支撐的設置以及冷彎薄壁型鋼檁條設計計算等進行探討，以期為門式剛架結構的設計提供一些有用的建議。

 

【1】中華人民共和國國家標準。冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）中國計劃出版社，2002

【2】中國工程建設標準化協會.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(CECS102:2002)，2002

【3】中華人民共和國國家標準。鋼結構設計規范（GB50017-2003）中國計劃出版社，2003

【4】邱鶴年。鋼結構設計禁忌及實例。中國建筑工業出版社，2009

【5】陳紹蕃。卷邊槽鋼的局部相關屈曲和畸變屈曲。建筑結構學報，2002，23（1）