王紅梅

(西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030053)

0 引言

現(xiàn)今，隨著科技的進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料被應(yīng)用到工程建設(shè)當(dāng)中，輕鋼結(jié)構(gòu)也被大量運(yùn)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。其中門式剛架作為輕鋼結(jié)構(gòu)的典型代表，因其節(jié)省材料、施工周期短等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)當(dāng)中。

現(xiàn)階段，門式剛架在設(shè)計(jì)、制作、安裝等方面已基本形成一體化。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的工程實(shí)踐，證明門式剛架結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房及對(duì)空間要求較大的建筑中的應(yīng)用有著重要的意義及價(jià)值。

1 門式剛架的特點(diǎn)

1.1 施工周期短

門式剛架的特點(diǎn)主要是輕型、快速、高效，同時(shí)采用節(jié)能環(huán)保新型建材，實(shí)現(xiàn)工廠化加工制作、現(xiàn)場(chǎng)施工組裝。因門式剛架的梁、柱等主要構(gòu)件均可在工廠完成加工制作，再到現(xiàn)場(chǎng)按照工程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行拼裝，施工方便快捷從而有效縮短了建設(shè)周期。相比較而言，門式剛架結(jié)構(gòu)的施工周期，比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)縮短了大約60%。一般采用門式剛架作為結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)廠房，其所需建造時(shí)間僅為50 d～90 d，而鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)則需要10個(gè)月～12個(gè)月。

1.2 適用于大空間要求的規(guī)則建筑物

鋼材具有強(qiáng)度高、韌性及塑性好的特點(diǎn)，在同等受力情況下，門式剛架結(jié)構(gòu)自重較輕，比較適用于建造一些對(duì)跨度及高度要求較大的規(guī)則建筑物。同時(shí)因門式剛架結(jié)構(gòu)自重較輕的特點(diǎn)，在煤礦建造儲(chǔ)煤所用筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)時(shí)，其倉(cāng)上結(jié)構(gòu)現(xiàn)多用門式剛架結(jié)構(gòu)代替磚混結(jié)構(gòu)：本人在2010年所設(shè)計(jì)的山西省臨縣華燁煤業(yè)有限公司的原煤倉(cāng)時(shí)，倉(cāng)頂就是采用的門式剛架及鋼框架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。2010年，本人為山西晉興能源有限公司斜溝礦設(shè)計(jì)了一座雙跨48 m、檐口高度7 m的工業(yè)廠房。因?yàn)閺S房所處場(chǎng)地為輸煤通道所用皮帶走廊下部，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要充分利用空間滿足使用要求，還要使每榀剛架及其連接件與已有皮帶走廊支架進(jìn)行避讓。在這棟倉(cāng)房的設(shè)計(jì)中，不僅體現(xiàn)了輕型門式剛架能滿足大空間廠房的要求，同時(shí)也體現(xiàn)了輕型門式剛架靈活多變的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同時(shí)由于此廠房在使用方面的限制，劃分的防火分區(qū)面積已超出了防火規(guī)范中的要求。因此在傳統(tǒng)防火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在倉(cāng)房的上部加設(shè)了自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，這在我院所設(shè)計(jì)同類型倉(cāng)房中也是第一次使用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)。

1.3 防火處理

鋼材雖然屬于不燃燒材料，但耐火性能差。鋼材在高溫下強(qiáng)度降低很快，塑性增大，并且因?yàn)殇摬牡膶?dǎo)熱系數(shù)大，是造成鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下極易在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力的主要原因。實(shí)驗(yàn)證明，從常溫到150℃時(shí)，鋼材性能改變不大;超過(guò)150℃后，鋼材的性能會(huì)發(fā)生較大的變化;達(dá)到600℃時(shí)，鋼材的承載力將完全喪失。美國(guó)世貿(mào)大廈因遭遇襲擊，燃燒產(chǎn)生的高溫致使兩幢鋼結(jié)構(gòu)大樓倒塌便是最典型的案例。

鋼結(jié)構(gòu)的防火措施有很多種，目前采用較多的是在構(gòu)件表面直接噴涂防火涂料。因防火涂料的隔熱性能好，噴涂時(shí)不需要增加其他輔助設(shè)施，結(jié)構(gòu)的幾何外形一般不會(huì)影響噴涂施工，且防火涂料還有一定的美觀裝飾的作用，因此被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。并且在噴涂防火涂料前，應(yīng)對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行徹底除銹，除銹等級(jí)應(yīng)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。經(jīng)除銹的鋼材表面在檢查合格后應(yīng)在8 h(濕度大于60%)內(nèi)進(jìn)行1遍～2遍底漆涂裝，底漆成分性能不應(yīng)與防火涂料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。常用的防火涂料有薄涂型、厚涂型及超薄型防火涂料，采取防火措施后，門式剛架的耐火極限一般提高到1.5 h～2.5 h，滿足規(guī)范及使用要求。

1.4 耐久性

未采取防銹措施的鋼材長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中容易銹蝕，特別是處于沿海地區(qū)或濕熱條件下的鋼結(jié)構(gòu)。若未為鋼材進(jìn)行防銹處理，銹蝕會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件截面縮小，結(jié)構(gòu)承載能力下降，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的安全。所以必須解決構(gòu)件的防腐問(wèn)題，主要采用的方法有：

1)金屬保護(hù)層：在門式剛架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上還是采用傳統(tǒng)的鍍鋅技術(shù)，在彩板上有鍍鋁鋅的，它的耐腐蝕性可大大提高。檁條及墻梁一般采用熱浸鍍鋅，鍍鋅標(biāo)準(zhǔn)為A級(jí)，鍍鋅量不小于275 g/m2(均為雙面)。

2)涂層法：即在構(gòu)件表面噴涂油漆或其他防腐涂料，主要用于門式剛架的梁、柱等主要構(gòu)件，底漆及面漆必須配套使用。施工時(shí)，注意涂料、涂裝遍數(shù)、涂層厚度均應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。因鋼構(gòu)件的除銹質(zhì)量對(duì)涂層的使用壽命影響率高達(dá)49.5%，所以在防腐涂裝前必須對(duì)鋼材做防銹處理，并應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的防銹等級(jí)?，F(xiàn)階段主要采用噴砂除銹，除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到Sa2或Sa2.5。

3)復(fù)合保護(hù)層：門式剛架圍護(hù)用彩鋼涂層鋼板是典型的復(fù)合保護(hù)層。

2 門式剛架的設(shè)計(jì)

2.1 剛架形式

門式剛架是由梁及柱組成的單榀剛架作為主要承重構(gòu)件，加設(shè)水平支撐、柱間支撐及系桿，同時(shí)配以輕型屋配蓋和墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)所組成的結(jié)構(gòu)體系。門式剛架的形式主要有單跨、雙跨、多跨剛架以及帶挑檐的剛架等，同時(shí)為了滿足采光及通風(fēng)需要可在屋面設(shè)置通風(fēng)口、采光帶或輕型鋼天窗架。2012年年初，本人為西山煤電集團(tuán)機(jī)電總廠設(shè)計(jì)了一座雙跨雙坡、每跨均為24 m的支架修理車間，同時(shí)為滿足采光要求在屋面加設(shè)聚碳酸酯采光帶。車間采用雙跨雙坡的形式是為了方便屋面排水，若改用雙跨四坡的形式，在兩跨的交接處需設(shè)置內(nèi)檐溝用于排水。但由于車間長(zhǎng)度為84 m，內(nèi)檐溝找坡長(zhǎng)度過(guò)大不利于雨水排出，同時(shí)在使用中易出現(xiàn)屋面漏水等情況，所以在同類型廠房設(shè)計(jì)中，多采用雙跨雙坡或雙跨四坡的形式。門式剛規(guī)要求采用帶吊車的門式剛架吊車噸位應(yīng)不大于20 t，而該車間內(nèi)每跨均設(shè)有50 t/10 t和20 t/5 t的橋式吊車，所以在設(shè)計(jì)時(shí)改用了鋼排架結(jié)構(gòu)。

2.2 荷載的選取

門式剛架設(shè)計(jì)的主要依據(jù)為CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。荷載取值應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范及實(shí)際情況確定，荷載大小不能隨意降低。對(duì)于不上人屋面，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定活荷載取值為0.5 kN/m2，但《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中注明：對(duì)受荷水平投影面積大于60 m2的剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取0.3 kN/m2。現(xiàn)在有些門式剛架在設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算選取的荷載不符合規(guī)范要求及實(shí)際使用情況，造成梁、柱等承重構(gòu)件截面過(guò)小，在實(shí)際使用過(guò)程中極易出現(xiàn)安全問(wèn)題。例如2009年我國(guó)北方大部分地區(qū)出現(xiàn)大到暴雪，許多輕型鋼結(jié)構(gòu)包括門式剛架在內(nèi)的工業(yè)廠房因屋面雪荷載超載而發(fā)生垮塌。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，應(yīng)充分考慮各種可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響的因素，適當(dāng)加大構(gòu)件尺寸，在滿足安全性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。一般在利用PKPM中的STS軟件設(shè)計(jì)計(jì)算輕型門式剛架時(shí)，將主要構(gòu)件即梁、柱的應(yīng)力比控制在0.8～0.9之間。

2.3 剛架的尺寸確定

門式剛架的柱距、跨度及檐口高度主要由建筑的使用要求來(lái)確定。門式剛規(guī)中注明：剛架的柱距宜為6 m～9 m;跨度宜為9 m～36 m;檐口的平均高度宜為4.5 m～9 m，設(shè)有吊車時(shí)不宜大于12 m。設(shè)計(jì)中通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在剛架跨度、檐口高度不變的情況下，柱距增大會(huì)使單榀剛架的用鋼量降低，但其他構(gòu)件如吊車梁、墻梁、水平支撐及柱間支撐的用鋼量會(huì)相應(yīng)提高。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，確定經(jīng)濟(jì)合理的剛架尺寸。

3 綜合經(jīng)濟(jì)效益

3.1 投資成本低

門式剛架結(jié)構(gòu)本身自重較輕，在地基較好的情況下多采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，可節(jié)約造價(jià)。對(duì)于非保溫性及保溫性的工業(yè)與民用建筑，因壓型鋼板和夾芯板施工方便快捷、外形美觀，而作為屋面和墻面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。由于門式剛架在制作及安裝時(shí)方便快捷，因而有效縮短了工期，使工程項(xiàng)目盡早投入使用從而獲得經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 運(yùn)營(yíng)成本低

一項(xiàng)工程的總造價(jià)應(yīng)以該工程的全壽命周期為控制對(duì)象。對(duì)工程各階段可能發(fā)生的全部費(fèi)用進(jìn)行整體分析后，采取相應(yīng)的技術(shù)方法，可實(shí)現(xiàn)工程全壽命周期成本最優(yōu)。而鋼材作為一種高強(qiáng)度高效能的綠色環(huán)保材料，不僅施工及維護(hù)都比較簡(jiǎn)便，在建筑報(bào)廢后所有鋼材再回收后還能夠繼續(xù)循環(huán)利用。門式剛架采用壓型鋼板或夾芯板作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工快速、耐久性好，維修方便，因而在使用階段大大減少了維護(hù)開(kāi)支，節(jié)約了成本，整體經(jīng)濟(jì)效益好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于門式剛架結(jié)構(gòu)的各種優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)今已被廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)當(dāng)中。擴(kuò)大門式剛架等輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，不僅能夠促進(jìn)建筑業(yè)的更快發(fā)展，同時(shí)可為鋼材消費(fèi)提供更廣闊的市場(chǎng)，有效加快我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度。通過(guò)加大鋼材市場(chǎng)的投資，培養(yǎng)專業(yè)的設(shè)計(jì)及施工人員，門式剛架結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景是比較可觀的。

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