・３６・ ２０１ １年第５期 第３７卷总第１６３期 ２０１１年１０月 浅谈轻钢结构门式钢架的设计体会 张宜辉 （合肥工业大学建筑设计研究院，安徽合肥摘要：随着我国钢结构在建筑结构中越来越被广泛 使用，新建的大部分厂房均采用门式刚架，基于其特点， 本文针对门式钢架设计中经常遇到的一些问题进行探讨， ２３０００９） ２．３屋面、（围护）墙面的构造 轻钢门式钢架厂房中屋面及墙面构造措施是增大钢架 刚度，防止钢架平面外失稳的关键措施。檩条、墙梁一般 并给出一些设计建议。 关键词：门式铜架；柱脚连接；抗剪键；基础 中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１１）０５—００３６—０２ ０前言 “ 钢结构具有以下特点：①重量轻，强度高。普通钢结 构是钢筋混凝土结构建筑重量的１／２左右，而轻钢门式钢 ｈ．ｍ 架，网架自重仅为３０ ｋｇ／ｍ 左右，较轻的自重降低了基础 的造价。由于其强度高的特点适用于大跨度、大柱网，增 之 大了使用面积；②抗震性能好；③主要钢结构件工厂化， 材 施工速度快，有助于建筑产业化发展；④可拆卸利用，对 环境污染少，绿色环保。 ．ｎ １设计体会 １．１轻钢门式钢架柱脚采用铰接还是钢接 《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２：２００２） 中第４．１．４条规定：“门式钢架的柱脚形成多按铰接支撑设 计，通常为平板支座，设一对或二对地脚螺栓。当用于工 业厂房且有５ ｔ以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成钢接。”本 人认为，门式钢架应首先应确定是否有吊车，如厂房工艺 要求需要布置吊车，则应注意以下几点： （１）柱脚应设计成刚性柱脚； （２）柱应设计成等截面柱； （３）柱间支撑应由吊车纵向水平荷载控制设计，而不 是简单的构造设计，当有不小于５ ｔ的桥吊时，宜采用型钢 支撑。 另外，柱脚形式采用铰接还是钢接，除由吊车决定外， 还要看房屋的高度和风荷载的大小，如果房屋的高度较高， 而且风荷载较大，即使元吊车，如柱脚采用铰接，柱顶位 移大，为控制柱顶位移，必然加大柱截面，增加用钢量。 最后，柱脚形成的选择还要考虑土质情况及基础造价。当 采用钢接柱脚，由于基础要承受较大的偏心弯矩，基础的 平面尺寸均较铰接柱脚基础要大，土质情况差时差别就更 大。因此，选用何种柱脚行形式要根据房屋的高度，风载 的大小，有无吊车，吊车吨位及土质情况等因素综合确定。 如门式钢架无吊车，则按楔形柱等常规设计，不再赘述。 ２．２柱间支撑的布置 柱间支撑与屋面支撑应布置在同一柱问，使钢架纵向 形成稳定体系，便于钢架安装且增加纵向刚度。支撑应布 置在第～柱间或第二柱间，当布置在第二柱间时第一柱间 相应布置刚性系杆，且刚性系杆与抗风柱沿纵向位置一致。 使风荷载直接传递。在钢架转折处（单跨房屋边柱柱顶及 屋脊以及多跨房屋某些中间柱柱顶和屋脊）应沿房屋全长 设置刚性系杆。当门架的跨度较大时，在布置支撑的柱间， 应适当增加刚性系杆的数量，使支撑的夹角在４５。左右。当 受建筑功能无法布置柱问支撑时，应布置纵向钢架。 由冷弯薄壁构件制成，当柱距小于６ ｍ时，设一道拉条， 大于６ ｍ时，设两道拉条。在这里应特别提到斜拉条，在 校图过程中，常常可以看到许多钢结构厂家或设计者设斜 拉条而不设撑杆的情况。原因是结构概念不是很清楚，因 为通过结构力学知识，在斜拉条间设置撑杆，方可形成稳 定体系。在屋面、墙面设计中还应注意隅撑布置，隅撑不 是可有可无，它是为防止受压翼缘屈曲而设置。研究表明 门式钢架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的。斜 梁下翼缘与钢架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位， 该处设隅撑十分重要。另外，《门式钢架轻型房屋钢结构技 术规程》ＣＥＣＳ１０２：２００２（以下简称ＣＥＣＳ１０２：２００２）中规定： 在斜梁下翼缘受压区亦设置隅撑，其问距不得大于相应受 压翼缘宽度的１６（２３５／ｆｒ）０．５倍。按一般的门式钢架，檩距 １ ５００ ｍｍ左右时，隔一个檩条设一道隅撑可满足上述条件。 那么设计时是否要考虑有围护墙时钢柱的平面外约束 呢？当周围采用砖墙围护时，一般在钢柱外皮设构造柱， 在窗顶位置设通常圈梁，圈梁构造柱现浇为一体。此种情 况，能否将圈梁视为钢柱平面外支点？有人认为，圈梁和 钢柱通过可靠连接，可以作为钢柱的平面外支点，甚至可 以考虑围护墙对钢柱的平面外约束作用。假定以上观点正 确，那么，混凝土圈梁和砖墙对钢柱的约束作用点在钢柱 外皮，而钢柱主要是内皮受压，效果肯定不好，同时由于 砖墙混凝土构件与钢构件是完全不同的材料，在不利荷载 作用下，可能引起砖墙、混凝土较早开裂，使钢柱失去侧 面约束作用，从而造成钢柱平面外换稳。一般应采用设置 系杆的方法来减少柱平面外计算长度。但需注意系杆不能 互为支撑，系杆必须连到合适的支撑体系（如柱间支撑）或 结构的某个稳定的部分。 ２．４抗剪键的设置要求与计算 如何设置抗剪键在规程（ＣＥＣＳ１０２：２００２）中第７．２．２０条 仅规定：柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，水 平剪力可由柱底板与混凝土间的摩擦力或设置抗剪键承受。 这就是我们计算门架时，往往出现警告提示：“柱脚需要设 抗剪！”主要原因是门架结构一般自重较轻，而在风荷载较 大或抗震设防烈度较高地区，其基底水平剪力较大，往往 需要在柱底板下加抗剪键，以弥补柱底板与混凝土间摩擦 力的不足。在条文说明中要求抗剪键采用在钢架平面方向 截面刚度较大的工字钢等垂直焊接在柱底板的底面，其截 面和连接焊缝的抗剪能力应进行计算。若抗剪键较长，须 在基础表面做坑以便安装时将其插入，然后进行二次灌浆。 具体做法可参考《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》 ０１ＳＧ５１９图集中第３Ｏ页大样１、２的做法。 抗剪键起作用是建立在柱底板下的空隙灌浆密实的基 础上，密实是二次灌浆与混凝土基础及柱底板共同工作的 前提。因此抗剪键的作用除与本身截面和焊缝高度与长度 有关外，还取决于灌浆的密实度。抗剪键以长度方向平行 于柱底板为宜。柱底板下的灌浆空隙以满足抗剪键不与基 ２０１１年第５期 第３７卷总第１６３期 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉ・Ｊ迂材 ・３７・ ２０１１年１０月 础表面接触，留有一定空隙，使柱底标高有调整余量为准， 确保抗剪键起作用，保证工程安全。根据文献，抗剪键计 算处如下： （１）抗剪键设置：当Ｖ～≥Ｎ ×０．４时，需要设置抗 剪键。 （２）抗剪键正面角焊缝总长度为： Ｌ ≥（Ｖ 一０．４Ｎ ）／（０．７ｈｆ× ×ｐｆ）＋４０ｒａｍ 式中Ｖ 一最不利组合柱最大剪力； Ｎ…一最不利组合时根最大轴力； Ｌ 一抗剪键正面角焊缝总长度ｈ，：焊脚尺寸； ｆｆｗ一角焊缝强度设计值； ｐ 一正面角焊缝强度设计值增大系数，可取ｐ ＝ １．２２。 ２．５基础设计 轻钢结构基础设计中，由于结构自重轻，基础竖向荷 载小，水平荷载往往成为基础大小的控制因素。因此基础 偏心过大，对基础设计造成一定困难。由于偏西荷载作用 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，特别是有吊车的工业厂房。根据 文献对基底土压力分布作以下，供设计时参考。 （１）对于 ＜１８０ｋＰａ、吊车起重量大于７５０ ｋＮ的单层 厂房柱基，或对于 ＜１０５ ｋＰａ、吊车起重量大于１５０ ｋＮ露 天跨柱基，要求Ｐ一／Ｐ Ｉ＞０．２５，其中 为地基承载力特 征值。 （２）对于承受一般吊车承载的柱基，要求Ｐ ／＞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。 （３）对于仅有风荷载而无吊车荷载的柱基，允许基础 底面与地基不完全接触，但接触部分长度与基础长度之比 不小于０．７５；同时，还应验算基础底板受拉一边在底板自 重及上部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、 增加深埋、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。 ２．６柱脚锚栓的安装定位 这是设计人员往往忽视的问题，而在实际工程中锚栓 定位不准确造成钢架或框架安装困难的工程案例比比皆是， 本人也遇到过这种情况，后来不得不加固处理。分析原因， 主要是锚栓之间无连接，整体刚度差，在浇筑混凝土的过 程中锚栓难免移位。针对上述原因，采取浇筑混凝土前预 埋柱脚锚栓固定支架处理，具体做法见图１。固定支架与锚 栓形成一个小的格构柱，这样锚栓的定位就方便准确了。 图１柱脚锚栓固定支架 ２．７抗风柱与钢架的连接 目前门式钢架的抗风柱设计存在两种错误的做法：一种 是将抗风柱与钢架做成一样抗风柱与钢架梁或铰接或刚接， 抗风柱既参与抗风又参与竖向荷载作用及横向水平作用。 而设计人员往往又不做这样钢架的纵向抗风验算。这样做 是漏算荷载的，是工程设计的一大忌。本人认为一个受力 明确的排架结构不应让它的受力复杂化。这种做法是欠妥 的。另一种做法是抗风柱与钢架在一条轴线上，但不考虑 抗风柱受竖向荷载作用，抗风柱与钢架梁之间用一块钢板 通过焊缝相连。这种做法仍然将一部分竖向荷载传给了抗 风柱，而且钢板的侧向刚度很小，在竖向荷载的作用下发 生屈曲后就很难保证有效地传递风荷载了。以上两种做法 都存在弊端。在这里推荐以下做法：采用厂房做法定轴网， 第一榀钢架轴线与抗风柱错开５００—６００ ｍｍ，抗风柱翼缘 通过连接板与钢架梁腹板加劲肋相连，且连接板及加筋肋 上开竖向长圆孔，连接螺栓采用普通螺栓，做法见图２。 图２抗风柱与钢架连接大样 ３小结 门式钢架轻型房屋钢结构在我国应用已比较广泛，技 术日渐成熟，但需要完善的问题仍较多，只有充分理解该 类结构的设计概念才能使结构设计既经济合理，叉安全可 靠，在市场竞争中立于不败之地。 ［ＩＤ：６８７８］ 参考文献： ［１］ ＣＥＣＳ１０２：２００２，门式钢架轻型房屋钢结构技术规程［Ｓ］． ［２］ＧＢ５００１１—２００１，建筑抗震设计规范［Ｓ］． ［３］ＧＢ５００１７—２００３，钢结构设计规范［ｓ］． ［４］ 王元清，王春光，袁英战．门式钢架轻型钢结构工业厂房基础设 计与研究［Ｊ］．建筑结构，２００３，（３Ｏ）． ［５］ 杨风第，周永麟．轻型钢结构房屋柱基础设计的探讨［Ｊ］．钢 结构，２００５，（５）． ［６］刘其祥．多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议［Ｊ］．建 筑结构，２００３，（３）． ［７］ 中国建筑标准设计研究所．多、高层民用建筑钢结构节点构造 详图．０１ＳＧ５１９［Ｓ］． ［８］全国民用建筑工程设计技术措施（结构）［Ｍ］．北京：中国计划 出版社．
