輕型鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用與常見設(shè)計(jì)問(wèn)題

李來(lái)軍

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054)

摘要：該文對(duì)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、內(nèi)力計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)一些設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到但容易忽略的細(xì)節(jié)問(wèn)題做了闡述和分析。

關(guān)鍵詞：腹板屈曲后強(qiáng)度；彈性分析；焊縫檢測(cè)

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.017

Abstract:This paper summarizes several characteristics of light-weight steel structure about gabled frames and internal-force calculation.Some common design problems in the design process are also described and analysed.

收稿日期：2015-02-20.

作者簡(jiǎn)介：李來(lái)軍(1982-)，工程師.E-mail:lljdyx@hotmail.com

Several Design Problems and Industrial Applications

of Light-weight Steel Structure

LILai-jun

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:post-buckling strength of web plate；elastic analysis；weld inspection

鋼結(jié)構(gòu)以鋼材為主要建筑材料，由于鋼材質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性和塑性好，同時(shí)結(jié)構(gòu)上也具有抗震性能好、造型方便多樣、工廠化制造程度高、施工安裝周期短等特點(diǎn)，使得鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)、民用等領(lǐng)域內(nèi)都有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要用于輕型的廠房、倉(cāng)庫(kù)及大型超市等需要較大跨度的場(chǎng)所，可以滿足較大敞開空間的要求，其在我國(guó)的工程應(yīng)用大約始于20世紀(jì)80年代初期。隨著《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(下簡(jiǎn)稱《門規(guī)》)于1998年頒布實(shí)行后，更是得到了迅速發(fā)展。

1單層門式剛架結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn)

1)適用于《門規(guī)》的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)主要指以單跨或多跨實(shí)腹門式剛架為主要承重結(jié)構(gòu)，具有輕型屋蓋和外墻，無(wú)橋式吊車或有起重量不大于20 t的A1~A5工作級(jí)別橋式吊車或3 t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)。實(shí)腹式門式剛架多用輕型焊接H型鋼作為主要承重骨架，并輔以適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)。屋面及墻面檁條多用冷彎薄壁型鋼制作。屋面、墻面板多以壓型鋼板制作，并采用巖棉、玻璃棉、泡沫塑料等作為保溫隔熱材料。

2)由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用輕質(zhì)材料，因此結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量很輕，相同跨度和荷載條件下的用鋼量較少減少，同一地質(zhì)條件下基礎(chǔ)也可做得比較小。同時(shí)地震作用也小，使得一般情況下地震作用參與的內(nèi)力組合在鋼架構(gòu)件設(shè)計(jì)中起不到控制作用。但是較輕的質(zhì)量也會(huì)使得風(fēng)荷載對(duì)門式剛架產(chǎn)生比較大的影響，風(fēng)載較大時(shí)可成為控制荷載，還可使輕型屋面的受力方向反向。

3)輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)配件都是在工廠制作的，質(zhì)量易于保證，現(xiàn)場(chǎng)安裝快速，施工方便，工程施工周期短。由于板件較薄，外力撞擊容易發(fā)生局部變形，銹蝕也會(huì)使構(gòu)件截面削弱。因此，輕型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)加工制作、涂裝、運(yùn)輸及安裝的要求較高，需要在運(yùn)輸和安裝過(guò)程中采取必要措施防止構(gòu)件腐蝕變形。

2剛架的內(nèi)力分析及實(shí)腹式構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算

1)在變截面門式剛架的計(jì)算中，確定各種內(nèi)力采用的是彈性分析方法。采用相關(guān)軟件進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)多按平面結(jié)構(gòu)考慮，一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。蒙皮效應(yīng)是將屋面板視為沿房屋全長(zhǎng)伸展的深梁來(lái)承受平面內(nèi)荷載，但這個(gè)作用很難加以利用，僅當(dāng)有必要且有條件時(shí)才考慮此因素。

2)內(nèi)力分析方法一般有結(jié)構(gòu)力學(xué)方法、有限元法(直接剛度法)、利用靜力計(jì)算公式和圖表分析法。構(gòu)件分段可采用楔形單元，地震作用效應(yīng)可采用底部剪力法來(lái)考慮。

對(duì)等截面門式剛架，內(nèi)力分析亦可參考上述方法進(jìn)行。對(duì)于不直接承受動(dòng)力荷載的情況，允許采用考慮構(gòu)件沿長(zhǎng)度方向的截面間的內(nèi)力重分配，即在構(gòu)件全部為等截面時(shí)，允許采用塑性分析方法，此時(shí)需按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(下簡(jiǎn)稱《鋼規(guī)》)的要求設(shè)計(jì)。

塑性分析方法是指在超靜定結(jié)構(gòu)中按預(yù)想的截面部位達(dá)到屈服強(qiáng)度而出現(xiàn)塑性鉸，并能產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)形成機(jī)構(gòu)，最終可能形成靜定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到塑性內(nèi)力重分布的目的，但必須保證結(jié)構(gòu)不形成可變或瞬變體系。也因此，塑性分析要求對(duì)構(gòu)件中的板件寬厚比嚴(yán)加控制，以避免由于板件局部失穩(wěn)而降低構(gòu)件的承載能力。

對(duì)變截面構(gòu)件，因?yàn)殚T式剛架達(dá)到極限承載力時(shí)，可能會(huì)在多個(gè)截面同時(shí)或接近同時(shí)出現(xiàn)塑性鉸而使剛架瞬間形成機(jī)動(dòng)體系，故不宜利用塑性鉸出現(xiàn)后的內(nèi)力重分布，而且變截面門式剛架構(gòu)件的腹板經(jīng)常用得很薄，截面塑性發(fā)展的潛力不大。因此，各種規(guī)范及軟件中的內(nèi)力計(jì)算多采用彈性分析方法，而僅在構(gòu)件全部為等截面時(shí)才允許采用塑性分析方法，只是這種情況下需按《鋼規(guī)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)在此種情況在實(shí)際工程中已很少采用。而對(duì)于等截面構(gòu)件彈性設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮與變截面構(gòu)件相同的方法計(jì)算。

3)考慮屈曲后強(qiáng)度方法是指受彎構(gòu)件的腹板喪失局部穩(wěn)定后仍具有一定的承載能力，構(gòu)件計(jì)算時(shí)可充分利用腹板屈曲后承載力的一種構(gòu)件計(jì)算方法。工字型截面受彎構(gòu)件中的腹板以受剪為主，翼緣以抗彎為主，增大腹板高度可直接增大截面慣性矩，有利于翼緣抗彎能力的發(fā)揮，但增大腹板高度的同時(shí)也相應(yīng)增大厚度的話，腹板用鋼量會(huì)增加較多，相比而言會(huì)增加成本。允許腹板發(fā)生局部屈曲，并利用板件的屈曲后強(qiáng)度，可使腹板寬厚比放大，腹板高度增大而厚度較薄，可顯著減少腹板的厚度，節(jié)省鋼材。

考慮屈曲后強(qiáng)度的腹板抗剪承載力的計(jì)算方法很多，《門規(guī)》中采用的是一種簡(jiǎn)化方法，即用有效寬度計(jì)算截面特性，其計(jì)算結(jié)果屬于下限。但當(dāng)腹板高度變化超過(guò)60 mm/m時(shí)，《門規(guī)》中的6.1.1款不適用，此時(shí)不宜利用屈曲后抗剪承載力，PKPM軟件中的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)模塊即采用的此種方法。

3計(jì)算設(shè)計(jì)中的軟件應(yīng)用及一些問(wèn)題

1)門式剛架輕型房屋整體建筑的結(jié)構(gòu)組成，可以分為橫向平面內(nèi)鋼架、縱向及橫向的支承體系和圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在PKPM的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)模塊中，整體結(jié)構(gòu)通常是簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)計(jì)算，即橫向平面內(nèi)的剛架構(gòu)件按二維模型進(jìn)行建模計(jì)算?？v向布置相應(yīng)的支撐體系并加以必要的輔助計(jì)算，而屋面及墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分均按對(duì)應(yīng)的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

2)門式剛架中較大跨度的鋼梁需要分段，主要需根據(jù)運(yùn)輸及施工等實(shí)際情況、建筑柱網(wǎng)及計(jì)算受力條件將鋼梁分成合適的長(zhǎng)度及段數(shù)。分段點(diǎn)可盡量取在彎矩較小處，在梁柱相接處，通常梁端彎矩較大，工字型構(gòu)件截面高度也會(huì)較高。如果需要考慮腹板屈曲后強(qiáng)度，則需要調(diào)整此梁段的長(zhǎng)度，使腹板高度變化率符合《門規(guī)》要求，否則該梁段不滿足變化率的條件。腹板高厚比等限值要按照《鋼規(guī)》中的相關(guān)條文進(jìn)行控制，此時(shí)若需要增加板件的厚度，就會(huì)使材料用量增加，同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量。

當(dāng)屋面斜坡較長(zhǎng)時(shí)，坡度經(jīng)常不超過(guò)1∶5，如成品倉(cāng)庫(kù)單坡長(zhǎng)度經(jīng)常超過(guò)40 m，坡度常為1∶15或1∶18，此時(shí)因?yàn)樾绷旱妮S力很小，計(jì)算時(shí)可按壓彎構(gòu)件計(jì)算其強(qiáng)度和剛架平面外的穩(wěn)定。若不計(jì)算平面內(nèi)的穩(wěn)定，軟件中的選項(xiàng)可不勾選。

3)通常軟件可自動(dòng)計(jì)算各構(gòu)件平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)時(shí)僅需指定平面外的計(jì)算長(zhǎng)度。對(duì)于設(shè)置有吊車的鋼柱，其平面外計(jì)算長(zhǎng)度的指定需綜合考慮剛性系桿的布置及牛腿所在位置，使交節(jié)點(diǎn)可以直接傳遞外力；在有柱間支撐的鋼柱處，可在吊車梁與鋼柱之間設(shè)置隅撐，以適當(dāng)考慮吊車縱向荷載作用點(diǎn)與鋼柱之間的偏心；對(duì)鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，取2倍屋面檁條間距的方法也已有較多實(shí)例工程可供參考。

在門式剛架結(jié)構(gòu)中，剛性系桿及柱間支撐是很重要的縱向連接構(gòu)件，通常按照《門規(guī)》中的長(zhǎng)細(xì)比及實(shí)際的計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)控制即可。但當(dāng)建筑布置有吊車以及風(fēng)荷載較大或山墻面受風(fēng)荷載面積較大時(shí)，應(yīng)對(duì)受力系桿及支撐進(jìn)行必要的輔助計(jì)算復(fù)核。

4)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，2012版的《門規(guī)》新增了部分關(guān)于梁與柱連接節(jié)點(diǎn)剛度計(jì)算的條文，強(qiáng)調(diào)了此處的剛度對(duì)剛架整體剛度的重要性。同時(shí)，也指出了一些提高節(jié)點(diǎn)剛度的措施，如設(shè)置斜加勁肋、局部加厚腹板等，可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用。

考慮到鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝的特點(diǎn)，一般在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一些不太方便進(jìn)行焊接操作的地方，如梁柱端板相連處以及系桿與梁相連處多采用螺栓連接的方式，使用高強(qiáng)螺栓等直接安裝，以避免高處作業(yè)的不便以及隨之而來(lái)的連接節(jié)點(diǎn)的不可靠。

門式剛架通常采用外露式鋼柱腳，通過(guò)錨栓固定于基礎(chǔ)之上，而錨栓有Q235和Q345兩種材料之分，為了充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，Q345材質(zhì)的錨栓錨固在基礎(chǔ)中的長(zhǎng)度是要比Q235的長(zhǎng)一些。因此，綜合考慮柱腳受力情況和錨栓長(zhǎng)度，采用Q235材質(zhì)是可以節(jié)省部分材料的。

5)對(duì)于屋面檁條設(shè)計(jì)，需考慮實(shí)際中壓型鋼板屋面是否能阻止上翼緣受壓側(cè)向失穩(wěn)，如果屋面連接采用可活動(dòng)扣件時(shí)，按屋面不能阻止考慮。而當(dāng)屋面可阻止上翼緣失穩(wěn)時(shí)，需要注意《門規(guī)》附錄E的適用條件，即面板的基板厚度不小于0.66 mm。計(jì)算軟件中亦有相關(guān)參數(shù)選項(xiàng)可選，對(duì)于成品倉(cāng)庫(kù)這種屋面范圍較大的建筑，實(shí)際情況中，考慮到溫度變化引起的材料熱脹冷縮等問(wèn)題，使用的多是可活動(dòng)扣件，此時(shí)軟件中的選項(xiàng)通常不勾選。

6)坡屋面較長(zhǎng)時(shí)，過(guò)長(zhǎng)的坡面會(huì)使沿坡面向下的分力積累，屋脊處最大，因檁條板材較薄，所以拉條承載力通常比檁條孔壁承載力大，螺帽會(huì)先從孔壁中拔出。因此，坡長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)建議增設(shè)斜拉條，把坡面向下方向的分荷載分段導(dǎo)向鋼架梁。同理，墻面較高時(shí)也可適當(dāng)增設(shè)斜拉條。斜拉條的張拉角不宜太小，最邊處兩道檁條檁距過(guò)小時(shí)，斜拉條可內(nèi)移一檁距，并在外邊的檁條之間設(shè)置剛性桿連接。

7)焊接是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，圖紙中對(duì)于焊縫的質(zhì)量等級(jí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的形式、環(huán)境、荷載條件及構(gòu)件的受力方式等因素對(duì)不同的焊縫形式提出明確、具體且合理的質(zhì)量等級(jí)要求，以符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。同時(shí)，也要避免給鋼結(jié)構(gòu)制作及施工等單位帶來(lái)不必要的困難。

《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，焊縫質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)分為三級(jí)，對(duì)應(yīng)有外觀檢驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)，所有焊縫均應(yīng)冷卻到環(huán)境溫度后進(jìn)行外觀檢查。其中第三級(jí)只要求通過(guò)外觀檢查，即檢查焊縫實(shí)際尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求和有無(wú)看得見的裂紋、咬邊等缺陷，我國(guó)現(xiàn)階段規(guī)范對(duì)三級(jí)焊縫是不進(jìn)行無(wú)損探傷的。對(duì)于重要結(jié)構(gòu)或要求焊縫金屬?gòu)?qiáng)度等于被焊金屬?gòu)?qiáng)度的對(duì)接焊縫，必須進(jìn)行一級(jí)或二級(jí)質(zhì)量等級(jí)對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)，即在外觀檢查的基礎(chǔ)上再做無(wú)損檢驗(yàn)，且無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在外觀檢查合格后進(jìn)行。

鋼結(jié)構(gòu)第一階段設(shè)計(jì)圖紙中，對(duì)焊縫等級(jí)是應(yīng)該有符合設(shè)計(jì)深度的設(shè)計(jì)標(biāo)注的，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)各種焊縫的表示方法有清晰的認(rèn)識(shí)。通常只有需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件，且作用的拉力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向?qū)尤弁负缚p或T形對(duì)接與角接組合熔透焊縫才要求一級(jí)，其余情況可根據(jù)《鋼規(guī)》中相關(guān)條文進(jìn)行判斷。對(duì)于角焊縫，實(shí)際情況中多為三級(jí)，但有些情況下可要求外觀二級(jí)，只是一般情況下，重要的連接焊縫是不采用角焊縫的，《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中有相關(guān)表格，對(duì)不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)要求有詳細(xì)描述?；旧鲜芾缚p的質(zhì)量等級(jí)高于受壓或受剪的焊縫，受動(dòng)力荷載的焊縫質(zhì)量等級(jí)要高于受靜力荷載的焊縫，熔透的要求與母材等強(qiáng)的對(duì)接焊縫的質(zhì)量等級(jí)不能低于二級(jí)，應(yīng)盡量避免不分具體情況就把焊縫等級(jí)提高的設(shè)計(jì)要求。

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