轻型门式刚架厂房设计浅析

夏甍

武汉建筑材料工业设计研究院有限公司  湖北省武汉市 430000

摘要：结合实例介绍了不规则门式刚架的结构布置以及荷载的取值方法，针对现行施工方法采取相对应的设计方案，兼顾了建筑物的安全性和经济性，阐述了门式刚架结构防火设计的依据及方法，给门式刚架这一结构体系设计带来了新的思考。

关键词：门式刚架 檩条及墙梁 防火

1引言

轻型门式刚架厂房在我国大约起始于20世纪80年代初期。由于其质量轻、柱网跨度布置灵活、工业化程度高、施工周期短等特点，近些年来在我国各地各行业中得到了大量应用。本文通过对实际项目设计过程设计参数的选取以及如何贯彻执行规范要求进行分析探讨，为门式刚架结构体系的精细化设计提供了一定的参考。

2工程概况

本工程位于某省市，跨度24m，柱距8m，檐口高度8m，屋面坡度1/20，无吊车。结构设计使用年限50年，设防烈度6度，设计地震分组第三组，场地类别Ⅲ类，耐火等级二级。主要规范：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称“门规”）、《建筑钢结构防火技术规范》（以下简称“钢防火规”）、《建筑设计防火规范》（以下简称“防火规”）。

3设计要点

3.2 刚架设计

3.2.2 荷载取值

本工程屋面采用双层压型钢板+保温棉的形式，屋面恒载按0.3考虑，考虑喷淋管道布置的不均匀性及可组合性，喷淋荷载按相容活荷载考虑，其余屋面可变荷载 （屋面活载、雪荷载）按互斥活荷载考虑。风荷载按封闭式房屋输入相关参数程序自动计算即可。刚架计算时屋面活荷载可取0.3kN/m2。《门规》表4.3.2注规定，对于多跨双坡屋面，当屋面坡度不小于1/20时，内屋面可不考虑表中第3项规定的不均匀分布情况（即表中的雪分布系数1.4及2.0均按1.0考虑），本工程屋面坡度1/20，满足此条，但实际计算中，程序并未考虑此条，均考虑不均匀情况分布。

3.2.3 计算长度

刚架柱平面内计算长度计算方法详见《门规》附录A，当为单层多跨房屋，且各跨屋面梁的标高无突变时，可考虑各柱相互支援作用按A.0.8采用修正后的计算长度系数进行刚架柱的平面内稳定计算。当刚架柱除柱顶外不设侧向支撑（如系杆）或隅撑时，柱平面外计算长度取纵向柱间支撑点间的间距。屋面斜梁的平面外计算长度应取侧向支撑点（一般为通长系杆）间的距离，当屋面斜梁与檩条间设置隅撑且满足《门规》7.1.6-4条时，平面外计算长度可考虑隅撑的作用，计算中应输入实际檩条及隅撑的规格、间距进行布置，程序自动计算檩条的弹性约束作用，檩条相对斜梁的刚度越大，斜梁平面外等效计算长度越小。端部刚架的屋面斜梁与檩条之间不宜设隅撑，其斜梁平面外计算长度应按支撑间距考虑，又因其承担荷载面积为中部刚架的一半（风载体型系数按端区考虑，比中部刚架大），故实际设计中端部刚架梁柱截面可基本同中部，仅加厚斜梁翼缘厚度使其平面外稳定满足计算要求。

3.2.4 抗剪承载力

刚架构件抗剪承载力验算时，规范给出的计算公式考虑腹板屈曲后强度的利用，对于工字型截面应按要求设置加劲肋。而由于门刚结构中钢构件承担的剪力一般都比较小，在不设置加劲肋、不考虑腹板屈曲后强度利用的情况下一般都是可以满足抗剪承载力要求的。如果设置加劲肋会导致结构用钢量大幅增加。PKPM软件与门规编制专家沟通后，对规范的公式进行了一定的改造，得出不设置加劲肋且不考虑屈曲后强度的抗剪承载力验算公式。程序中采用改造后的公式进行计算，当计算结果中抗剪承载力满足要求时可不设置加劲肋。《门规》中还规定抗剪承载力应按小头截面进行验算，故一般情况下柱变截面楔形变化率幅度不宜过大，否则抗剪承载力可能由小头控制。

3.3 檩条与墙梁设计

檩条及墙梁宜采用实腹式构件，按简支设计时可采用槽型冷弯薄壁型钢或高频焊H型钢，按连续设计时可采用Z型冷弯薄壁型钢。屋面檩条布置一般较均匀连续，按连续设计经济性较好。墙面因门窗洞口较多，檩条布置较零碎，故一般按简支设计。檩条及墙梁计算时应注意风荷载系数对应不同分区的差异，对于边角区域构件及其连接应进行适当加强，屋面檩条计算时雪荷载标准值应按不均匀分布最不利的分布系数考虑。

当屋面板材与檩条有牢固的连接，即用自攻螺钉、螺栓、拉铆钉和射钉等与檩条牢固连接，且屋面板材有足够的刚度（例如压型钢板），可认为其能阻止檩条侧向失稳和扭转，可不验算其稳定性。本工程屋面外板采用直立缝锁边式连接，不能作为檩条上翼缘的侧向支撑，内板设置于檩条下部，与檩条采用自攻螺钉连接，可考虑其对檩条下翼缘的约束。为了将屋面荷载对檩条产生的倾覆力矩传递到屋面梁以及提高檩条稳定承载力，檩条间应设置拉条及撑杆作为侧向支撑，又由于屋面板能保证檩条下翼缘的整体稳定，故檩间支撑仅在距上翼缘1/3腹板高度范围内单层设置。

为了将墙板竖向荷载有效传递至承重柱，墙梁跨度大于4m时，墙梁间应设置拉条及撑杆，一般最上层墙梁处、窗顶处且每隔5道拉条处均应设置斜拉条以保证传力。墙面板与墙梁一般为自攻钉连接，当双侧挂墙板时，可构造保证墙梁的整体稳定性，当仅外侧挂墙板时，拉条及撑杆应靠檩条内侧翼缘处设置，保证风吸力作用下内翼缘的稳定性。为保证门窗的开启及墙梁变形时门窗玻璃布置损坏，门窗顶部墙梁的挠度要求较高，设计中常用双檩条对扣的形式或采用普通槽钢或工字钢。

3.4 防火设计

按照《钢防火规》的要求，结构设计文件中应注明建筑的耐火极限、构件的设计耐火极限、构件的防火保护措施、防火材料的性能要求及设计指标，这就要求结构设计过程中应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计。规范规定，钢结构的防火设计应根据结构的重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火验算或基于构件耐火验算的防火设计方法，本工程可按基于构件耐火验算的防火设计方法进行设计。规范中提出的耐火验算和防火设计方法有三种，分别为耐火极限法、承载力法及临界温度法。目前PKPM程序采用的方法为临界温度法，计算参数中需要明确的主要有耐火等级、耐火极限、升温曲线类型、保护层类型及防火涂料的相关参数。

本工程建筑类别为单层丙二类厂房，建筑耐火等级为二级，根据《防火规》3.2.10条及《钢防火规》3.1.1及条文说明表一注2，本工程钢柱、柱间支撑及系杆耐火极限不应低于2小时，钢梁、屋面支撑及系杆耐火极限不小于1小时。由于本工程屋面檩条及隅撑对屋面钢梁的平面外提供侧向支撑作用，故其属于《钢防火规》条文说明中的第二类檩条，耐火极限不小于1小时。根据《防火规》3.2.12条，对本工程而言，当外墙采用不燃性墙体时，其耐火极限不应低于0.25小时，根据图集《17J925-1》总说明5.6.1条，压型钢板为不燃性材料，单层压型钢板耐火极限为15min（即0.25小时），故墙梁及墙板无需喷涂防火涂料。最终设计文件中钢梁、柱防火涂料厚度根据程序计算选取、其余构件根据耐火极限要求按《防火规》附录确定。升温曲线类型应根据建筑内部燃烧物的性质确定，保护层类型根据梁柱截面类型选取。防火涂料参数按程序默认参数，若实际采用的防火涂料参数与设计文件不符，则应提供相关技术参数报设计院进行复核。

4结语

（1）刚架设计时应选择适宜的构件截面、荷载、及计算长度系数等参数，确保设计结果安全、经济。

（2）檩条及墙梁设计应根据实际情况合理选取构件及连接类型，有效位置设置拉条及撑杆，使其满足规范强度及稳定验算的要求。

（3）各结构构件均应严格按照规范进行防火设计，且在设计结果文件中应详细说明防火做法及相关参数。

参考文献：
[1]牛保有.轻型门式刚架钢结构的优化设计分析[D].西安建筑科技大学，2013
[2]魏国海.浅析轻型门式钢架结构工程施工技术[J].黑龙江科技信息，2013