陳煒琴

(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計有限公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高能耗、低效率和破壞環(huán)境的建筑材料將逐步退出市場，取而代之的將是低耗、高效、環(huán)保的新型建材。鋼材作為可再生利用和高效的材料，逐漸在建筑行業(yè)中占有主導(dǎo)地位，尤其是輕鋼結(jié)構(gòu)近幾年在單層工業(yè)廠房中逐漸取代鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)而成為一種新型的結(jié)構(gòu)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、工廠化和商品化程度高、施工速度快、綜合經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)低等優(yōu)點。下面就輕鋼結(jié)構(gòu)單層工業(yè)廠房設(shè)計的要點及其構(gòu)件設(shè)計方法簡單敘述如下，以供參考。

1 輕鋼結(jié)構(gòu)單層廠房設(shè)計的要點

1.1 結(jié)構(gòu)體系

1)門式剛架分為單跨、雙跨、多跨以及帶挑檐的和帶毗屋等多種形式。多跨剛架中柱與剛架梁的連接可采用鉸接。

2)輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系中，屋面常采用有檁體系，檁條間距為1.5 m，屋面板為壓型鋼板或夾芯板，檁條采用冷彎C型鋼或高頻焊接薄壁H型鋼;外墻采用有墻梁體系，墻梁間距為1.5 m～2.1 m，墻面板為壓型鋼板或夾芯板，墻梁采用冷彎C型鋼或高頻焊接薄壁H型鋼。主剛架梁下翼緣和主剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣平面外的穩(wěn)定性，可通過在剛架梁下翼緣和檁條間或剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣和墻梁之間設(shè)置的隅撐來保證。主剛架之間的水平支撐可采用張緊的圓鋼或角鋼。

3)根據(jù)跨度、高度和荷載不同，門式剛架的梁柱可采用變截面或等截面實腹焊接工字鋼或成品H型鋼截面。單層廠房中當(dāng)設(shè)有橋式起重機時，柱截面宜采用等截面構(gòu)件。

4)輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房剛架柱基礎(chǔ)，剛架柱柱腳與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的連接可按鉸接或剛接，當(dāng)廠房內(nèi)設(shè)有橋式起重機時按剛接連接，其他情況按鉸接連接。

焊接實腹式工型截面門式剛架承重結(jié)構(gòu)由剛架和基礎(chǔ)兩部分組成。門式剛架承重結(jié)構(gòu)體系的剛架、檁條(或墻梁)以及壓型鋼板間通過可靠的連接和支撐相互依托，體系受力更趨向于空間化。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

1.2.1 屋面結(jié)構(gòu)平面布置

單層廠房輕剛結(jié)構(gòu)房屋伸縮縫的設(shè)置:當(dāng)房屋縱向長度不小于300 m，橫向長度不小于150 m時需要設(shè)置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫的做法有兩種:檁條連接處的螺栓孔采用橢圓孔或設(shè)置雙排柱，使結(jié)構(gòu)有足夠的伸縮空間;吊車梁與柱的連接處宜采用橢圓孔。

屋面檁條的布置，應(yīng)考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶等因素的影響，屋面壓型鋼板厚度和檁條間距應(yīng)按計算確定。

1.2.2 墻面墻梁布置

單層廠房輕剛結(jié)構(gòu)房屋墻面墻梁的布置，應(yīng)根據(jù)門窗的位置、大小確定墻梁的位置，另外設(shè)有挑檐、雨篷時還應(yīng)增設(shè)墻梁等構(gòu)件，墻梁的規(guī)格尺寸應(yīng)由計算確定，同時還應(yīng)考慮墻面板的規(guī)格，考慮到廠房的美觀，一般墻面梁設(shè)在主剛架柱的外側(cè)。

1.2.3 支撐布置

橫向水平支撐和豎向柱間支撐可提高剛架的整體剛度，并能承擔(dān)和傳遞水平力，防止桿件產(chǎn)生過大的振動，避免壓桿的側(cè)向失穩(wěn)，可保證結(jié)構(gòu)安裝時的穩(wěn)定。

1)當(dāng)設(shè)有溫度伸縮縫時，在每個溫度伸縮單元應(yīng)分別同時設(shè)置橫向水平支撐和豎向柱間支撐以形成幾何不變、穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。

2)橫向水平支撐一般設(shè)置在溫度伸縮單元兩端第一開間剛架梁上翼緣，在水平支撐交叉的節(jié)點處應(yīng)設(shè)置剛性系桿。橫向水平支撐的間距不大于45 m。橫向水平支撐既可以采用十字交叉圓鋼，又可以采用雙角鋼作支撐。

3)當(dāng)溫度伸縮單元長度不超過90 m時，在溫度伸縮單元兩端第一開間的上柱處設(shè)置上柱柱間支撐，在溫度伸縮單元中間的柱開間內(nèi)分別設(shè)置上下柱柱間支撐。上柱柱間支撐為單片角鋼，連接在柱腹板的中間，下柱柱間支撐為雙片角鋼，連接在下柱兩側(cè)翼緣。值得注意的是在溫度伸縮單元的端部不設(shè)下柱柱間支撐。

4)在剛架轉(zhuǎn)折處應(yīng)沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。

1.3 輕鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼構(gòu)件的設(shè)計

1.3.1 主要承重構(gòu)件(剛架)內(nèi)力計算方法

剛架的內(nèi)力計算方法分彈性分析和塑性分析方法，變截面門式剛架通常采用彈性分析方法，等截面門式剛架通常采用塑性分析方法，同時還應(yīng)滿足現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求。

1.3.2 門式剛架位移(側(cè)移)計算

當(dāng)屋面坡度不大于1∶5時，柱頂在水平力H作用下的位移(側(cè)移)u，可按下列公式計算:

柱腳鉸接剛架:

柱腳剛接剛架:

其中，h，L分別為剛接柱高度和剛架跨度;Ic，Ib分別為柱和橫梁的平均慣性矩;H為剛架柱頂?shù)刃搅?ζt為剛架柱與剛架梁的線剛度比。

1.3.3 構(gòu)件強度計算

工型截面受彎構(gòu)件在剪力、彎矩共同作用時，強度按下式進行計算:

當(dāng) V≤0.5Vd時，M≤Me;當(dāng)0.5Vd≤V≤Vd時，M≤Mf+(Me－Mf)［1 －(V/0.5Vd－1)2］。

當(dāng)截面為雙軸對稱時:

Mf=Af(hw+t)f。

其中，Mf為兩翼緣所承擔(dān)的彎矩;Me為構(gòu)件有效截面所承擔(dān)的彎矩，Me=Wef，We為構(gòu)件有效截面最大受壓纖維的截面模量;Af為構(gòu)件翼緣的截面面積;Vd為腹板抗剪承載力設(shè)計值，Vd=hwtwfv'。

1.3.4 構(gòu)件穩(wěn)定計算

軸心受壓構(gòu)件(工型截面)局部穩(wěn)定計算:

受壓翼緣:

其中，b為受壓翼緣自由外伸寬度;t為受壓翼緣的厚度;fy為鋼材屈服強度;hw為腹板的計算高度;tw為腹板的厚度。

1.4 剛架柱基礎(chǔ)的設(shè)計

1.4.1 基礎(chǔ)形式

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)常用的基礎(chǔ)形式有:1)鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，一般用于地基承載力比較大，土質(zhì)比較均勻的情況。2)柱下條形基礎(chǔ)多用于加固工程中，在處理新舊建筑物基礎(chǔ)時，可以避免對舊建筑物基礎(chǔ)造成不利的影響。3)樁基礎(chǔ)一般用于深基礎(chǔ)，地基回填土較多、持力層較深的情況。

1.4.2 基礎(chǔ)的設(shè)計

1)輕鋼結(jié)構(gòu)廠房門式剛架柱基礎(chǔ)通過鋼板與鋼筋混凝土基礎(chǔ)之間連接采用鉸接或剛接柱腳。

2)柱腳錨栓應(yīng)采用Q235鋼或Q345鋼制作。錨栓的錨固長度應(yīng)符合GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，為抵抗上拔力錨栓端部設(shè)置彎鉤或錨板，錨栓的直徑不小于24 mm，且應(yīng)采用雙螺母或采取防止螺帽松動的有效措施;柱腳錨栓按下柱柱間支撐傳遞的縱向風(fēng)荷載和吊車剎車力或縱向地震作用的上拔力計算。剛架柱底部的水平力由柱腳底板與鋼筋混凝土基礎(chǔ)頂面之間的摩擦力來承擔(dān)，若還不滿足須設(shè)置槽鋼或角鋼抗剪鍵。計算柱腳錨栓的受拉承載力時，應(yīng)采用螺紋處的有效截面面積。

2 工程中易出現(xiàn)的問題及改進措施

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)自重輕，其基礎(chǔ)的受力與一般單層鋼筋混凝土排架柱廠房不同，對輕鋼結(jié)構(gòu)單層工業(yè)廠房基礎(chǔ)的設(shè)計應(yīng)給予足夠的重視。在實際工程中，當(dāng)風(fēng)荷載較大時有的剛架柱被拔起，其原因可能是在設(shè)計剛架柱基礎(chǔ)時未考慮柱間支撐傳來的縱向風(fēng)荷載或因設(shè)置的柱間支撐少而傳給剛架柱基礎(chǔ)的拉力大且柱腳未采取有效的錨固和抗拔措施而引起的。所以，當(dāng)風(fēng)荷載較大時應(yīng)考慮縱向支撐傳給柱腳基礎(chǔ)的拉力，而且在設(shè)計柱腳基礎(chǔ)時應(yīng)考慮抗拔構(gòu)造措施，如錨栓端部設(shè)彎鉤或錨板等。

3 結(jié)語

輕鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、工廠化和商品化程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保等明顯的優(yōu)點。輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架設(shè)計在單層工業(yè)廠房中越來越得到人們的青睞，但它畢竟還是一個新生事物，需要我們設(shè)計人員在工程設(shè)計中不斷的探索、改進、回訪中積累經(jīng)驗，進而解決在工程設(shè)計中遇到的新技術(shù)、新問題。新技術(shù)、新材料的應(yīng)用給設(shè)計人員提供了鍛煉的機會，帶來了新的挑戰(zhàn)，只要對不斷出現(xiàn)的新技術(shù)、新材料、新問題勇于探索、勇于創(chuàng)新，就能攻克難關(guān)，從而使新技術(shù)、新材料得到廣泛應(yīng)用，我們的設(shè)計水平也會有較大的提高。

［1］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.