對門式輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題的探討
核心提示： 對門式輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題的探討唐柏鑒王洪濤劉興業(yè)（天津大學(xué)土木工程系，天津300072）1概述近幾年來，隨著我國彩色壓型鋼板產(chǎn)量的增加和焊接H型鋼的出現(xiàn)，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國大量涌現(xiàn)，發(fā)
對門式輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題的探討唐柏鑒王洪濤劉興業(yè)（天津大學(xué)土木工程系，天津300072）1概述近幾年來，隨著我國彩色壓型鋼板產(chǎn)量的增加和焊接H型鋼的出現(xiàn)，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國大量涌現(xiàn)，發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)己列入國家1996*2010年建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)政策中。由于歷史原因，各設(shè)計院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計力量薄弱，工程師多年不做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，所了解的鋼結(jié)構(gòu)知識陳舊，難以勝任輕鋼設(shè)計。即使作設(shè)計，由于大都仍按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》設(shè)計，使得輕鋼結(jié)構(gòu)笨重，缺乏競爭力。或者對新的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)102：98》（以下簡稱《規(guī)程》）理解不夠，盲目追求低用鋼量，造成結(jié)構(gòu)的安全度偏低，甚至造成工程事故。
本文針對目前門式剛架設(shè)計中存在的一些問題，力圖從理論和實踐上深入探討，以進一步規(guī)范設(shè)計。
2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體約束作用檁條，墻梁相比于普通鋼結(jié)構(gòu)，在輕型門式剛架中，為降低用鋼量，一般都考慮了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體約束作用。然而，怎樣才能保證有效的整體約束作用，在目前設(shè)計中還存在不少問題：由于處理不當(dāng)，事實上并沒有起到整體約束作用，造成各種事故時有發(fā)生。
整體約束作用，一般包括檁條對剛架斜梁上翼緣的側(cè)向支撐作用，設(shè)置隅撐時檁條對剛架斜梁下翼緣的側(cè)向支撐作用，條作為剛性系桿傳遞縱向風(fēng)荷載的作用，以及壓型鋼板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)。
剛架斜梁在豎向荷載、7K平荷載作用下，其下翼緣都會出現(xiàn)壓應(yīng)力，《規(guī)程》指出此時必須設(shè)置隅撐，但對隅撐設(shè)計闡述不詳。理論上，隅撐間距應(yīng)根據(jù)斜梁平面外穩(wěn)定計算確定，這種計算比較繁瑣，可根據(jù)l！b<16/235//y設(shè)置，隅撐間距一般為3.0m左右?！兑?guī)程》中隅撐節(jié)點不利于施工，建議采用節(jié)點。
壓型鋼板在其平面內(nèi)的抗剪能力稱為應(yīng)力蒙皮作用。應(yīng)力蒙皮效應(yīng)可使圍護結(jié)構(gòu)成為受力結(jié)構(gòu)的主要組成部分，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，減少甚至取消支撐。由于目前對各種壓型鋼板在板面內(nèi)的抗剪性能和板與構(gòu)件連接件性能研究還不夠，在門式剛架的整體設(shè)計中還不宜考慮這種應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，只是在設(shè)計檁條和墻梁時可以考慮。筆者認為利用蒙皮效應(yīng)，檁條的平面外穩(wěn)定可以不考慮或少考慮（如拉條設(shè)置可以適當(dāng)放寬）。但必須注意：面板己作為受力構(gòu)件，不得隨意拆卸，如要對面板進行修補，必須采取臨時加固措施；必須設(shè)置較強的縱向邊緣構(gòu)件，如在檐口設(shè)置較大的圓管或H型鋼等；壓型鋼板與條之間應(yīng)采用自攻螺絲、射釘、焊接或螺栓連牢。
考慮結(jié)構(gòu)的整體約束作用，檫條（或墻梁）扮演多種角色，作用很大，因此輕鋼結(jié)構(gòu)中檁條的設(shè)計務(wù)必謹慎。前己敘述，輕鋼結(jié)構(gòu)中大多考慮檁條對剛架的支撐作用，為保證檁條有效的支撐作用，設(shè)計條時必須考慮它作為支撐構(gòu)件的附加內(nèi)力：⑴檁條作為橫向剛架實腹梁的側(cè)向支撐，會產(chǎn)生軸力'///；/235/85，壓時布置隅撐，隅撐對檁條產(chǎn)生附加軸力和附加彎矩。其軸力大小根據(jù)《規(guī)程》中隅撐軸力公式可以計算。（3）作為結(jié)構(gòu)體系的縱向水平系桿，其作用力由水平支撐傳來，附加內(nèi)力（1），（2）不同時出現(xiàn)?？紤]壓型鋼板的應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，在重力荷載作用下，檁條受壓翼緣由于受到壓型鋼板的側(cè)向支撐和扭轉(zhuǎn)約束，穩(wěn)定性大大提高，一般可不計算構(gòu)件的穩(wěn)定性。但在風(fēng)吸力作用下，受壓翼緣為自由翼緣，可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。根據(jù)經(jīng)驗，風(fēng)吸力與構(gòu)件自重相抵后的向上作用力一般不起控制作用，即可以不計算檁條整體穩(wěn)定性；若有設(shè)拉條的必要，須設(shè)在下翼緣1/3腹板高度處。另外，檁條兼做剛性系桿時，其長細比不應(yīng)大于220：條作為剛架側(cè)向支撐，間距不應(yīng)大于16235//v倍的梁翼緣寬度；采用單層壓型鋼板屋面時，檁條之間要設(shè)拉條。
3連接節(jié)點節(jié)點連接剛性對門式剛架結(jié)構(gòu)承載力有很大的影響，如果處理不好，將會使分析結(jié)構(gòu)完全背離工程實際，釀成后患。盡管己有不少論文研究了半剛性節(jié)點，但在實際中還很少使用。至少在目前，門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)中還都采用理想的鉸接或純粹的剛接。如何保證這種假設(shè)的可行性，就值得設(shè)計者關(guān)注。
3.1梁柱節(jié)點及拼接點梁柱節(jié)點及拼接點一般采用端板螺栓連接，這種連接有外伸式和平齊式之別。后者只適用于半剛性連接。
剛性連接的梁，必須借助設(shè)在梁篼度以外的螺栓方能勝任。目前廣泛使用的STS軟件，對之不加區(qū)別，一律視為剛接，顯然不合理。另外為保證節(jié)點剛性，柱在梁翼緣處設(shè)置加勁肋，螺栓安置時施加預(yù)應(yīng)力都很有必要，見'ra.加勁肋對連接剛度的影響螺栓預(yù)拉力對連接剛度的影響在彎矩作用下各螺栓拉力的分布情況和端板的柔性有密切關(guān)系，我國對高強螺檢都施加預(yù)應(yīng)力，且端板厚度一般不小于螺栓直徑，因此建議采用（a）計算螺栓，或采用簡化計算（b）。
筆者對幾個工程抽發(fā)現(xiàn)，節(jié)點端板一般都達到梁柱翼緣板、腹板厚度的4倍以上，節(jié)點端板用鋼量甚至?xí)_到主剛架的10%左右，因此應(yīng)盡可能少設(shè)拼接點。另外《規(guī)程》中給予的端板厚度計算公式/ = /6/尚有探究余地。由公式可知，節(jié)點端板厚度僅取決于高強螺栓的強度設(shè)計值，而與被連接梁（柱）的板厚無關(guān)系。
若同一種梁（柱）連接節(jié)點板選用較大直徑的高強螺栓，端板必然比選用較小螺栓連接其厚度要大，而與被連接梁（柱）板的厚度無直接關(guān)系，顯然這是不合理的。合理的設(shè)計應(yīng)使連接端板、螺栓、被連接梁（柱）等強，即同時達到受力極限狀態(tài)。*|栓拉力分布形式3.2柱腳節(jié)點按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，不管有無橋式吊車，門式剛架的控制因素之一是廠房的側(cè)向變形，《規(guī)程》則對變形控制寬松很多，采用輕型墻板時門架柱頂?shù)乃轿灰婆c柱高的比值可以達到1/50，因此主要控制因素是材料的極限承載能力，同時柱腳一般也就設(shè)計成鉸接，構(gòu)造施工簡單，基礎(chǔ)只承受剪力和軸力，基礎(chǔ)可設(shè)計得很小。
當(dāng)設(shè)有橋式吊車或柱很高時，為保證側(cè)移要求，柱腳宜設(shè)成剛接。
需說明的是柱腳剪力的傳遞，由于爭議較多，《規(guī)程》回避此問題。門式剛架豎向荷載較小，剪力相對較大，僅靠柱腳端板與基礎(chǔ)頂面間的摩擦力一般不能滿足要求。筆者認為對剪力較小的，可以考慮地腳螺栓的抗剪作用，因為地腳螺栓加了一個比較精確的螺栓孔蓋板，而蓋板又焊于底板上。剪力較大時，則應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，如。規(guī)范設(shè)計，還待研究。
锏扳抗剪鍵連接抗風(fēng)柱與剛架連接3.3抗風(fēng)柱與斜梁連接節(jié)點在門式剛架輕鋼建筑中，抗風(fēng)柱既要把山墻風(fēng)載傳遞給水平支撐，又承擔(dān)著豎向墻架作用。筆者工作中發(fā)現(xiàn)抗風(fēng)柱與斜梁連接節(jié)點出現(xiàn)過以下兩者形式：（（a），（b））（a）中抗風(fēng)柱既受到豎向力作用，在風(fēng)載作用下，梁還會受扭，隅撐能否有效支撐斜梁，檁條能否成為隅撐支點都成疑問。這種節(jié)點盲目節(jié)省墻梁，受力惡化，不應(yīng)采用。后者基本符合傳力機理，建議采用。
4其他問題門式剛架可以外包混凝土或刷防火涂料達到現(xiàn)行有關(guān)防火規(guī)范的要求，壓型鋼板總厚度不足lram，要達到規(guī)范規(guī)定的最低限度0.5h也不可能。至今建成的工程未對此問題采取措施，建議編制規(guī)范時尋求解決辦法。另外，精確有限元建模與非線性分析；半彈性節(jié)點實驗研究；桿件長度系數(shù)研究；面板蒙皮效應(yīng)分析；節(jié)點連接計算等等都很有必要進一步研究。
5結(jié)論<165177設(shè)置，一般取3.0m左右。
（2）應(yīng)力蒙皮效應(yīng)在門式剛架的整體設(shè)計中還不宜考慮，在設(shè)計條和墻梁時可以考慮。
（3）考慮整體約束作用時，檁條和墻梁承受各種附加力，設(shè)計時須謹慎。
（4）梁柱節(jié)點合理的設(shè)計應(yīng)使連接端板、螺栓、被連接梁（柱）等強，即同時達到受力極限狀態(tài)。
（5）柱腳剪力較大時宜設(shè)置抗剪鍵；抗風(fēng)柱與斜梁連接應(yīng)采用（b）形式。
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