對門式輕鋼結構設計中存在問題的探討
核心提示： 對門式輕鋼結構設計中存在問題的探討唐柏鑒王洪濤劉興業（天津大學土木工程系，天津300072）1概述近幾年來，隨著我國彩色壓型鋼板產量的增加和焊接H型鋼的出現，門式剛架輕鋼結構房屋在我國大量涌現，發
對門式輕鋼結構設計中存在問題的探討唐柏鑒王洪濤劉興業（天津大學土木工程系，天津300072）1概述近幾年來，隨著我國彩色壓型鋼板產量的增加和焊接H型鋼的出現，門式剛架輕鋼結構房屋在我國大量涌現，發展輕鋼結構己列入國家1996*2010年建筑結構技術政策中。由于歷史原因，各設計院鋼結構設計力量薄弱，工程師多年不做鋼結構設計，所了解的鋼結構知識陳舊，難以勝任輕鋼設計。即使作設計，由于大都仍按照《鋼結構設計規范》設計，使得輕鋼結構笨重，缺乏競爭力?；蛘邔π碌摹堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規102：98》（以下簡稱《規程》）理解不夠，盲目追求低用鋼量，造成結構的安全度偏低，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，以進一步規范設計。
2結構系統的整體約束作用檁條，墻梁相比于普通鋼結構，在輕型門式剛架中，為降低用鋼量，一般都考慮了結構系統的整體約束作用。然而，怎樣才能保證有效的整體約束作用，在目前設計中還存在不少問題：由于處理不當，事實上并沒有起到整體約束作用，造成各種事故時有發生。
整體約束作用，一般包括檁條對剛架斜梁上翼緣的側向支撐作用，設置隅撐時檁條對剛架斜梁下翼緣的側向支撐作用，條作為剛性系桿傳遞縱向風荷載的作用，以及壓型鋼板的應力蒙皮效應。
剛架斜梁在豎向荷載、7K平荷載作用下，其下翼緣都會出現壓應力，《規程》指出此時必須設置隅撐，但對隅撐設計闡述不詳。理論上，隅撐間距應根據斜梁平面外穩定計算確定，這種計算比較繁瑣，可根據l！b<16/235//y設置，隅撐間距一般為3.0m左右?！兑幊獭分杏鐡喂濣c不利于施工，建議采用節點。
壓型鋼板在其平面內的抗剪能力稱為應力蒙皮作用。應力蒙皮效應可使圍護結構成為受力結構的主要組成部分，增加結構的整體剛度，減少甚至取消支撐。由于目前對各種壓型鋼板在板面內的抗剪性能和板與構件連接件性能研究還不夠，在門式剛架的整體設計中還不宜考慮這種應力蒙皮效應，只是在設計檁條和墻梁時可以考慮。筆者認為利用蒙皮效應，檁條的平面外穩定可以不考慮或少考慮（如拉條設置可以適當放寬）。但必須注意：面板己作為受力構件，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；必須設置較強的縱向邊緣構件，如在檐口設置較大的圓管或H型鋼等；壓型鋼板與條之間應采用自攻螺絲、射釘、焊接或螺栓連牢。
考慮結構的整體約束作用，檫條（或墻梁）扮演多種角色，作用很大，因此輕鋼結構中檁條的設計務必謹慎。前己敘述，輕鋼結構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，設計條時必須考慮它作為支撐構件的附加內力：⑴檁條作為橫向剛架實腹梁的側向支撐，會產生軸力'///；/235/85，壓時布置隅撐，隅撐對檁條產生附加軸力和附加彎矩。其軸力大小根據《規程》中隅撐軸力公式可以計算。（3）作為結構體系的縱向水平系桿，其作用力由水平支撐傳來，附加內力（1），（2）不同時出現?？紤]壓型鋼板的應力蒙皮效應，在重力荷載作用下，檁條受壓翼緣由于受到壓型鋼板的側向支撐和扭轉約束，穩定性大大提高，一般可不計算構件的穩定性。但在風吸力作用下，受壓翼緣為自由翼緣，可能發生失穩破壞。根據經驗，風吸力與構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定性；若有設拉條的必要，須設在下翼緣1/3腹板高度處。另外，檁條兼做剛性系桿時，其長細比不應大于220：條作為剛架側向支撐，間距不應大于16235//v倍的梁翼緣寬度；采用單層壓型鋼板屋面時，檁條之間要設拉條。
3連接節點節點連接剛性對門式剛架結構承載力有很大的影響，如果處理不好，將會使分析結構完全背離工程實際，釀成后患。盡管己有不少論文研究了半剛性節點，但在實際中還很少使用。至少在目前，門式剛架輕鋼結構中還都采用理想的鉸接或純粹的剛接。如何保證這種假設的可行性，就值得設計者關注。
3.1梁柱節點及拼接點梁柱節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，對之不加區別，一律視為剛接，顯然不合理。另外為保證節點剛性，柱在梁翼緣處設置加勁肋，螺栓安置時施加預應力都很有必要，見'ra.加勁肋對連接剛度的影響螺栓預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系，我國對高強螺檢都施加預應力，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現，節點端板一般都達到梁柱翼緣板、腹板厚度的4倍以上，節點端板用鋼量甚至會達到主剛架的10%左右，因此應盡可能少設拼接點。另外《規程》中給予的端板厚度計算公式/ = /6/尚有探究余地。由公式可知，節點端板厚度僅取決于高強螺栓的強度設計值，而與被連接梁（柱）的板厚無關系。
若同一種梁（柱）連接節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）板的厚度無直接關系，顯然這是不合理的。合理的設計應使連接端板、螺栓、被連接梁（柱）等強，即同時達到受力極限狀態。*|栓拉力分布形式3.2柱腳節點按《鋼結構設計規范》，不管有無橋式吊車，門式剛架的控制因素之一是廠房的側向變形，《規程》則對變形控制寬松很多，采用輕型墻板時門架柱頂的水平位移與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計成鉸接，構造施工簡單，基礎只承受剪力和軸力，基礎可設計得很小。
當設有橋式吊車或柱很高時，為保證側移要求，柱腳宜設成剛接。
需說明的是柱腳剪力的傳遞，由于爭議較多，《規程》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，則應設置抗剪鍵，如。規范設計，還待研究。
锏扳抗剪鍵連接抗風柱與剛架連接3.3抗風柱與斜梁連接節點在門式剛架輕鋼建筑中，抗風柱既要把山墻風載傳遞給水平支撐，又承擔著豎向墻架作用。筆者工作中發現抗風柱與斜梁連接節點出現過以下兩者形式：（（a），（b））（a）中抗風柱既受到豎向力作用，在風載作用下，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。這種節點盲目節省墻梁，受力惡化，不應采用。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行有關防火規范的要求，壓型鋼板總厚度不足lram，要達到規范規定的最低限度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；半彈性節點實驗研究；桿件長度系數研究；面板蒙皮效應分析；節點連接計算等等都很有必要進一步研究。
5結論<165177設置，一般取3.0m左右。
（2）應力蒙皮效應在門式剛架的整體設計中還不宜考慮，在設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，設計時須謹慎。
（4）梁柱節點合理的設計應使連接端板、螺栓、被連接梁（柱）等強，即同時達到受力極限狀態。
（5）柱腳剪力較大時宜設置抗剪鍵；抗風柱與斜梁連接應采用（b）形式。
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