国家林业和草原局大兴安岭勘察设计院 165000
【摘 要】现代建筑的结构的样式被丰富，城市房屋系统也因此而变得更加多样化，在常规结构材料的基础上，一些施工单位会根据设计者的要求选择轻钢材料当做结构构成材料。对传统式的建筑结构进行改良可获取新的建筑结构，门式刚架结构系统出现的时间比较早，其主要由山墙骨架、刚架柱以及檩条等构成，具有鲜明的传力路径，受力相对简单。现分析设计这种建筑结构时的主要问题。
【关键词】门式刚架；轻钢结构；设计方法；问题
现代建筑结构设计工作应当关注高层建筑施工建设需求，简化结构设计工作，装配式建筑逐渐增加，在加工建筑结构构件时，更多的施工建设单位选择通过批量化生产方式来达到高效加工的目的。门式刚架结构可满足现代建筑使用需求，其在多种不同用途的建筑中都可以被有效运用，现结合对门式刚架结构的认识，分析当前的设计环节中的问题，提供设计建议。
1 屋面结构荷载设计
屋面恒载是指屋面材料的自重，包括屋面板、支撑系统和檩条系统。一般支撑自重为0.02 kN/m2，一般工业建筑檩条自重为0.05 kN/m2，物流中心檩条自重为0.07 kN/m2。对于屋面板，不同的屋面构造做法其材料自重差别比较大。例如，0.53mm厚单层屋面彩钢板加100mm厚玻璃纤维棉PVC贴面，屋面自重约0.08 kN/m2；0.53mm厚屋面天面彩钢板加100mm厚玻璃纤维棉PVC贴面加0.42mm厚单层倒吊彩钢板，屋面自重约0.13 kN/m2；100mm厚彩钢岩棉夹芯板，自重约 0.24 kN/m2；100mm厚彩钢夹聚苯乙烯保温板，自重约0.12 kN/m2；轻质 GＲC 保温板，自重约0.14 kN/m2。在实际设计过程中，许多结构设计工程师草率地将屋面恒荷取值为 0.3 kN/m2，比实际屋面恒载略高，有时会造成一定的浪费，而有时则可能会埋下安全隐患。因此对于屋面恒荷，应针对不同的屋面板材料计算出屋面恒荷，且不应低于 0.15 kN/m2。
对于屋面活荷，《钢结构设计规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程规定》活荷载取值为0.5 kN/m2，但当屋面受力构件的受荷面积大于60 m2时可以乘折减系数0．6，即0．3 kN/m2。门式刚架符合此条件时，活荷载可取为0．3 kN/m2。目前我国的设计规范中尚无此规定，因此建议不应在屋面活荷载取值中过度挖潜力，屋面活荷载的取值不应小于 0.3 kN/m2。
2 屋面吊挂荷载设计
屋面吊挂荷载是指吊挂在屋面钢梁、檩条和钢柱的灯具、电缆桥架、风管、消防喷淋管道、工艺管道、吊顶和行车。其中大型电缆桥架、工艺管道和消防喷淋管道应吊挂在屋面钢梁和管架之下或由钢柱支承。行车必须直接吊挂在屋面钢梁之下并考虑合理安全地传递其横向和纵向制动力。灯具吊挂荷载一般取值0.05 kN/m2，小型电缆桥架一般取值0.05 kN/m2，风管一般取值0.10 kN/m2，消防喷淋管道一般取值0.15 kN/m2，行车、吊顶、大型电缆桥架和工艺管道按实际取值。
3 屋面均布荷载导荷设计
很多结构设计工程师在屋面钢架的局部荷载导荷经常犯一个常识性的错误，认为山墙第一开间的第二榀屋架的受荷面积与屋面中间榀屋架的受荷面积一致，由此导致山墙第一开间的第二榀屋架的受荷面积比实际受荷面积少约10%。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当屋面采用简支檩条时，前述的导荷方式是正确的；当屋面采用连续檩条时，前述的导荷方式是错误的，山墙第一开间檩条为一段简支一端固接，固接端的剪力系数为1.1，经此开间檩条传递至山墙第一开间的第二榀屋架的屋面线荷载应该比屋面中间区域屋架的屋面线荷载大10%。物流仓库的柱开间尺寸一般为11m~12.5m，由于屋面导荷面积的人为减少，导致山墙第一开间的第二榀屋架所承担的屋面线荷载比实际少10%，由此导致次榀屋面钢架结构安全性不足以及竖向变形过大。
4 选取刚架截面与钢材
一般情况下，当刚架跨度较小时，结构主要由强度控制，此时可选用较高强度等级的钢材，较厚的翼缘，这样可以减小构件截面高度，降低造价，同时又能满足结构的安全性。但当刚架跨度较大时，结构往往由钢梁挠度控制，此时宜选用较薄的翼缘，较高的腹板，来达到控制钢梁挠度的目的，同时又不致于使结构应力比过小。由于钢材强度对挠度没有影响，此时结构设计工程师应优先选用价格较低的钢材型号，以达到既安全又经济的目的。在满足强度、挠度等的同时，构件还应满足局部稳定的要求(翼缘应满足宽厚比，腹板应满足高厚比) 。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中规定的腹板高厚比比《钢结构设计规范》中宽松很多，原因是轻钢结构设计时考虑了腹板的屈曲后强度。利用腹板屈曲后强度的前提是腹板高度变化不大于 60 mm/m。因此不能为了降低用钢量而过多的减小变截面构件小端头截面高度。
5 钢梁分段设计
分段结构设计也是极其重要的设计环节，不同形式的钢梁分段会给结构弯矩带来过多的影响，设置弯矩零点位置时也必须考虑其中的差异性。在实际的钢梁设计过程中，很难精准地控制弯矩零点的具体位置，进凭借相关的设计图很难确定具体的分段方法。首先要考虑到加工钢梁构件的情况，尽可能地缩减拼接节点，使用高强螺栓来固定节点，将街头板的加厚工作做好，如果拼接接头的数量过多，加工过程会随之变得更加复杂。不能随意将梁构件简单地划分成形状复杂的单件构件，否则无法顺利加工，校正工作也不能顺利完成。钢梁分段还必须考虑到运输要求，在公路运输过程中，结构构件尺寸不可过长，否则车辆的转弯会受到影响，如果使用使用其他的大型运输工具，运输成本随之增加，构件保护工作也会受到阻碍，运输途中极易产生变形的问题。考虑到安装方面的需求，拼接节点时，应有意识地避开抗风柱、屋面系杆等区域。
6 檩条设计分析
部分建筑处于下雪地区，在冬季时，频繁的下雪天会该百年屋面部位的荷载，其中活荷载会产生主要影响，一般在维修与建设屋面系统时，才会产生活荷载，但是冬季降雪属于比较特殊的现象。在连续地使用檩条时，必须要计算屋面处存在的活荷载的情况。使用轻钢材料时，应当从经济性与安全性两个方面来合理应用檩条，避免屋面结构构件出现不利组合，同时还要对保温材料的使用需求。
7 节点设计
在门式刚架结构的最后设计环节中，设计者应当针对节点处的设计需求，来合理安排节点设计工作。进行梁柱拼接处理工作时，主要需要运用端板这一连接方式，可选择的节点施工方法包括平板式、外伸式以及外伸式加肋的施工手段。关注拉力分布的实际情况，确保受拉翼两端区域可以保持均匀的受力状态，可以缩小端板部件的厚度，减少螺栓部件的使用量，使节点处能够保持更强的抗弯能力。可根据梁柱部件的使用情况确定放置部件的方式。安装柱部件时，可将端板部件的支撑作用有效发挥，控制节点部位的剪力。如果节点处的弯矩相对比较大，可采用斜放或者竖放的方式。采用斜放端板的方式时，必须要确保安装控件充足。
8 结束语
门式刚架设计过程复杂，构成该中建筑结构的构件数量极多，设计者必须选出最科学的布置支撑系统的方式，确定最优的柱距数值，使建筑结构保持合理的跨度。使用轻钢材料时应当注重检查材料的质量，可根据结构设计需求，设计多个结构建设方案，优选出最合适的方案。从多个设计环节入手，保障轻钢结构的质量。
参考文献
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[2]赵艳霞. (2017). 门式刚架轻型房屋钢结构设计. 军民两用技术与产品(10).
[3]范传波. (2017). 某工程门式刚架轻型房屋钢结构设计. 江西建材(21).
论文作者:黄金明
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第03期
论文发表时间:2019/5/27
标签：屋面论文; 荷载论文; 檩条论文; 结构论文; 钢梁论文; 构件论文; 自重论文; 《工程管理前沿》2019年第03期论文;