轻钢结构设计若干问题探讨

郑明星 陈京芳

(中国轻工业武汉设计工程有限责任公司 武汉 430060)

摘要 本文针对门式刚架轻型房屋钢结构设计中遇到的关于结构方案、选材、节点构造、支撑、基础、安装等若干方面的问题进行了综合论述，并给出建议的设计。

关键词 门式刚架 节点 支撑 基础

summarY of  SOME PROBLEMS IN STRUCTURE design

of LIGHT STEEL STRUCTUR

Zheng Mingxing  Chen Jingfang

（CHINA Light Industry Wuhan Design Engineering CO.,Ltd  Wuhan  430060）

ABSTARCT  The paper make a summary of some problems in structure design of light-weight buildings with gabled frames，such as structure layout、materials、jionts、bracing system、foundation etc. Finally it proposes optimal design method.

KEY  WORDS  gabled frames  jionts  brace  foundation

随着我国经济技术飞速发展，建筑技术水平的提高，轻钢厂房日益得到普及。但目前对轻钢结构的设计不如钢筋混凝土结构那样成熟，各个钢结构厂家在许多问题的处理上都不尽相同。本文针对笔者在日常设计工作中遇到的一些问题进行一下总结，并给出一些设计建议，以供同行参考。

1 方案优选

1.1结构形式

目前应用最多的结构形式为门式刚架，但应注意的是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)(以下简称《规程》)^[1]应用的范围是起重量不大于20t的A1～A5工作级别的桥式吊车。当吊车吨位较大时，虽然有不少成功的设计范例，但笔者认为并不太经济，此时刚架侧移是梁柱截面的控制因素，采用实腹式钢柱将使得柱截面非常大，体现不出轻钢结构的经济优势。这时可考虑采用格构式钢柱、混凝土柱或钢管混凝土格构式柱^[2]，屋面体系不变。当采用混凝土柱时，应注意综合比较施工工期对综合成本的影响。当刚架跨度较大时，同样采用普通实腹式钢梁则不太经济，且变形不易控制，可采用预应力格构式刚架、索支承式门式刚架等多种形式。

1.2伸缩缝设置

《规程》规定,纵向温度区段长度不大于300m,横向温度区段不大于150m。房屋的温度区段应按规范规定设置独立的空间稳定的支撑体系。当纵向需要设置伸缩缝时，应优先采用在檩条螺栓连接处采用长圆孔的方法，并使该处屋面板在构造上允许胀缩。当横向需要设置伸缩缝时，应通过计算温度应力比较是否设置双柱的经济性。

1.3最优柱距及最优跨度^[3]

对于门式刚架结构，在满足工艺布置要求的前提下，最优柱距和最优跨度的问题是方案设计中应充分考虑的，许多文献已做了充分论证。一般的规律是：当荷载较大(包括屋面吊挂荷载及吊车荷载)时，柱距可取小些，建议为6～7m；刚架跨度宜取24～30m。反之荷载较大时则应加大柱距，宜为8～9m;刚架跨度宜取18～21m。

2 材料选择

2.1钢材选用

一般认为，当计算所需梁柱截面由强度控制时，可优先选用较高强度等级的钢材。但当结构由变形或稳定控制时，则应优先选用较低强度等级的钢材。由于目前钢材市场价格波动较大，设计人员应充分了解各种型号钢材市场价格后，进行优化设计。

《规程》规定,门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢。实际上，当Q235附加冷弯试验合格的保证及核算碳当量满足要求后，是可以用于不承受低温环境和动荷载较大的结构。

2.2焊接材料选用

设计者一般只需根据母材的种类选择与其匹配的相同等级焊条或焊丝、焊剂即可，无需给出具体的牌号。但直接承受动力荷载的焊接连接或重要的厚板焊接宜选用低氢型焊条，如E4315、E4316、E5015、E5016等。

2.3螺栓选用

对于钢结构主材的连接，一般采用高强度螺栓(8.8S或10.9S)。应该注意，设计中应仅指定螺栓的性能等级和连接材料的摩擦系数即可。承压型或摩擦型只是抗剪连接的两种形式，大六角头或扭剪型高强度螺栓都可以用于这两种连接，不能混淆两个概念。目前设计一般用摩擦型连接，其剪切变形比承压型连接小，这种连接使得结构刚度较大。实际上在低烈度地震区，当吊车荷载不大或没有吊车、风荷载较小、变形不大的情况下可优先选用承压型连接，不仅能大大减少螺栓用量，而且连接处构件接触面仅需清除油污及浮锈，不必强调抗滑移系数和扭矩两个系数的检验。地脚螺栓一般采用C级螺栓。

当有必要时可以推荐大六角头或扭剪型高强度螺栓，也可由施工单位自行选择。扭剪型高强度螺栓相对大六角头螺栓而言，有紧固简单、便于检查是否有露拧或欠拧的优点，但耗材略多，预拉力值离散较大，需使用专用的电动扳手，扭剪型高强度螺栓目前我国只有10.9S。

3 节点选择

       3.1梁柱连接

    《规程》将端板连接作为主要的梁柱连接和拼接节点形式，主要有外伸式、平板式、外伸式加肋等几种形式。加劲肋能明显改善螺栓的拉力分布状态，使受拉翼缘两侧螺栓均匀受力，从而大大提高了节点的抗弯能力，有效减少螺栓数量和端板厚度，故一般应优先选用外伸式加肋的节点。

边柱与梁连接节点有端板竖放、平放或斜放三种形式。在可能的情况下应优先选用端板平放以减小节点设计剪力，同时柱能在安装时起到临时支座的作用。当节点弯矩较大时可采用端板斜放或竖放以增大力臂，但端板斜放时对加工精度要求较高，且应注意安装空间的问题。

中柱与梁的连接一般可采用铰接处理，但当跨中反弯矩很大或需控制水平位移时此处可设计为刚接。将端板平放与梁的下翼缘连接，受力合理，也便于加工安装。

梁中间拼接位置应尽量选在弯矩和剪力较小处，同时应便于下料制作及安装，每段长度宜为5～11m。

3.2柱脚连接

对于无吊车或吊车荷载较小时，柱脚可采用铰接。当吊车荷载较大时，柱脚铰接无法满足刚架侧移限值，此时应采用刚接。

柱脚铰接时锚栓可设置为一对或两对，通常为方便刚架安装，可设置两对锚栓。

当有吨位较大的重型工作制的吊车时应采用带靴梁的柱脚构造。

《钢结构设计规范》GB50017-2003（以下简称《规范》）^[4]规定：柱脚锚栓不能用以承受柱脚底部的水平反力，此水平反力由底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数取可0.4)或设置抗剪键承受。抗剪键一般采用钢板或槽钢，在混凝土柱顶预留抗剪键的坑位，但该做法存在后浇层不易浇筑密实的问题。笔者认为采用如图1^[5]所示构造更为合理。

图1 基础顶面抗剪键构造

3.3抗风柱

抗风柱与刚架梁的连接形式建议采用弹簧板连接，构造如图2所示。在抗风柱的顶端设置弹簧板与刚架梁下翼缘相连。弹簧板由一块钢板折叠而成，竖向刚度很弱，上部的钢架梁可以自由变形，节点不传递竖向力。水平方向弹簧板不容易发生变形，刚度很大，能够保证水平荷载的传递。该构造有利于端跨屋面梁与中间梁的变形协调。

图2 弹簧板连接节点

抗风柱柱脚与基础连接建议采用铰接，有利于基础设计。

当有夹层时，同样存在变形协调的问题，故抗风柱下部与钢梁建议采用铰接，上部建议也采用弹簧板连接。

4 支撑体系、檩条、墙梁及计算分析

       当没有吊车时，支撑体系一般采用由张紧的圆钢组成的柔性支撑。建议采用花兰螺栓，虽然较圆钢支撑端部用螺母张紧的做法增加少量费用，但能有效地消除支撑松驰引起的负而影响。当有吊车时，下柱支撑应采用刚性支撑，一般由钢管或角钢组成。

计算中应注意平面外计算长度的问题，通常梁和边柱的平面外计算长度由受压翼缘的隅撑间距决定，中柱的计算长度为柱间系杆距离决定。而中柱设置系杆往往受到厂房使用功能的限制，在可能的情况下,，梁柱截面尽量不要由平面外稳定控制，否则设计一般会不太经济。在有些屋脊处有通风气楼的厂房，此处没有檩条，应设置相应的压杆以减小平面外计算长度。刚性系杆大小应通过稳定验算决定，或参照图集02SG518-1选取。

《规程》规定檩条的下翼缘在风吸力组合作用下受压时，拉条宜在檩条的上、下翼缘附近适当布置。而对拉条的位置《规程》并没有给出更加具体的设置方法，目前对此争论较多。比较稳妥的做法是设置双层拉条，但习惯做法是仅在檩条的上翼缘附近设置拉条。当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过其稳定计算满足即可。此时檩条下翼缘侧向计算长度取其跨度。但墙梁在风吸力作用下如此计算，其稳定将成为控制截面的唯一因素，按此设计是极不经济的。有些地方用如图3所示做法，笔者认为是较为合理经济的。

图3 拉条大样

       当屋脊及檐口处采用双檩时，当核算满足受压稳定要求后，可以取消此处的刚性系杆，让檩条做为传递纵向水平力的压杆，但在有垂直支撑处建议仍设置刚性系杆。

       鉴于采用扣合式屋面板时，屋面板不能作为檩条的侧向支承，檩条应根据不同情况分别按不同方法进行计算。规程对各种情况做了较为详细的规定，设计中应注意区分。

5 基础设计^[6]

       轻钢结构基础设计中，由于结构自重太轻，造成基础反力竖向荷载太小,水平荷载往往成为控制基础大小的因素。此时基础偏心过大，对基础设计造成一定困难。规范中并没有对工业厂房偏心做出具体限制。但由于偏心荷载作用下基础底面反力的不均匀性，可能使基础发生倾斜，甚至会影响厂房的正常使用，特别是带有吊车的工业厂房。有关文献^[6]对基底土压力分布作以下限制，可供设计参考：

    a.对于f_ak＜180kN/m²、吊车起重量大于75t的单层厂房柱基，或对于f_ak＜105kN/m²、吊车起重量大于15t的露天跨柱基，要求P_min/ P_max≥0.25，其中f_ak为地基承载力特征值；

b.对于承受一般吊车荷载的柱基，要求P_min≥0，即不出现基础底面与地基脱离。要满足此条件，偏心距e最大为b/6。

    c.对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础底面不完全与地基接触,但接触部分长度与基础长度之比≥0.75；同时，还应验算基础底板受拉一边在底板自重及上部土的重力荷载作用下的抗弯强度。

为满足以上设计原则，解决的方法有：增加基础压重，增加埋深，采用偏心基础，采用桩基等。在实际设计中应经过充分比较分析后确定选用哪种方法。

6 其他

6.1焊缝质量^[7]

《规范》第7.1.1条已对焊缝质量等级做出明确规定，避免了设计中的某些模糊认识。但应注意焊缝质量等级和检验等级、评定等级几个概念的区别。焊缝质量等级分一、二、三级，检验等级分A、B、C三级，评定等级分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。检验等级就是检验方法，全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，一级焊缝探伤比例为100％，二级焊缝为20％。对于建筑钢结构目前我国超声波探伤的检验等级都是B级。当检验等级确定以后，根据检测出来的结构进行等级分类，即评定等级，一、二级质量等级焊缝对应的评定等级分别为Ⅱ、Ⅲ级。设计中不能将符号写错，否则将引起检验上的争议。

6.2涂装

承重构件的钢材表面除锈等级一般为Sa2.5级。Sa*是喷射或抛射(喷砂仅为其中一种)的等级要求，共四级。手工和动力工具除锈等级只有St2、St3两种。喷射有利于钢材与涂料的粘接，还可消除部分残余应力，应优先选用。

防锈涂层由底漆、中间漆、面漆组成，涂料应与除锈等级相匹配，并应指定涂膜厚度。

防火应根据建筑物耐火等级及构件耐火时限选用相应的防火涂料及做法。而根据《建筑设计防火规范》^[8]第7.2.8条，对于二级耐火等级的丁（戊）类厂房的梁柱可采用无保护层的金属结构，此时可不做防火涂层。

6.3保温隔热防水

对于室内湿度和温度要求较高的厂房，如印刷厂等，应对建筑物的冷桥节点作相应处理，选用挤塑泡沫板等高档保温材料，能较好等减轻冷凝、结露等现象。

为保证屋面较好的防水效果，宜优先选用锁缝屋面和暗扣屋面。

7总结

       门式刚架轻型房屋钢结构在我国应用已经比较广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍较多。只有充分理解该类结构的设计概念，才能在使得结构设计既经济合理，又安全可靠，不留隐患，在市场竞争中立于不败之地。

参考文献

1.CECS102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程

2.林红.钢管混凝土格构式柱节点连接计算.钢结构,2003(6).vol.18,No.68,P36~P39.

3.王元清,王春光.门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究.工业建筑,1999(6).P49～P51.

4.GB 50017-2003 钢结构设计规范

5.轻型钢结构设计指南(实例与图集)》编辑委员会.《轻型钢结构设计指南(实例与图集)》.北京：中国建筑工业出版社,2000年12月. P100.

6.王元清,王春光,袁英战.门式刚架轻型钢结构工业厂房基础设计与研究.建筑结构,2000(4).P16～P19.

7. 姜德进.钢结构设计中若干问题的辩正 .钢结构,2003(2).vol.18,No.64,P55~P58.

8. GBJ 16-87 建筑设计防火规范