[文章]：门式刚架体系在工业建筑中的应用

灰色天空

.  引 言
     传统工业建筑多采用砖混或钢筋砼框（排）架承重结构，配合大型屋面梁板屋盖和大型墙板墙体围护结构，组成结构体系。体系重量大，工厂预制及现场施工技术复杂，施工周期长；受季节性施工的影响，土建工程在很大程度上制约着工程项目的建设周期。但对以往已取得的成果进行分析，仍然未能摆脱传统的砌体和钢筋砼结构所用材料和应用技术的束缚，因而也难以在实践中取得更大的突破性进展。

              2．门式刚架轻型房屋钢结构体系
    门式刚架轻型房屋钢结构体系，简言之，是由门式刚架承重结构，配套轻型屋盖和墙体围护结构，以及相应的支撑系统所组成的结构体系。目前最流行的体系构成，是采用实腹式焊接I型钢门式刚架承重结构；薄壁型钢檩条或墙梁与彩色金属压型钢板组成的组合屋面及墙面围护结构；支撑系统则主要由用于纵向传力和空间协同作用的纵向水平系杆、刚性或柔性水平支撑，以及用于控制焊接I型钢截面远端翼缘局部屈曲和出平面稳定性的隅撑等所构成。以此取替传统结构体系中的砖排架或钢筋砼框（排）架结构，大型钢筋砼屋面梁板和大型墙板结构，以及相应的支撑系统等。

门式刚架轻型房屋钢结构属轻型钢结构的一个分枝，这种结构型式的主要特点是：体现轻钢结构轻型、快速、高效的特点，应用节能环保型新型建材，实现工厂化加工制作、现场施工组装、方便快捷、节约建设周期；结构坚固耐用、建筑外型新颖美观、质优价宜、经济效益明显；柱网尺寸布置自由灵活、能满足不同气候环境条件下的施工和使用要求。
门式刚架轻型房屋钢结构的主要应用范围，包括单层工建厂房、民建超级市场和展览馆、库房以及各种不同类型仓储式工业及民用建筑等，都是它强有力的竞争领域，有广泛的市场应用前景。
    轻板刚架与其它传统结构型式的经济比较结论如下 （现有主要建筑物，以各自最可靠的应用范围内综合造价为基础，在常用跨度间划分做比较 单位： 元/m2）
单层工业厂房或 砖混 钢筋混凝土框（排）架 轻板刚架
库房（檐高8m以内）
跨度 6 ---12m 800左右 600左右
       12---24m 1000左右 1200左右 800左右
       24m以上 1200以上 1500以上 不超1000
其它单层空间结构 钢筋混凝土排架平面网架屋盖 轻板刚架
（檐高8m以内）
跨度 15---30m 1200左右 800左右
       30m以上 1500以上 不超1000

          3．门式刚架轻型房屋钢结构体系的主要结构方案的选择
3．1 焊接实腹式Ⅰ型截面门式刚架承重结构主要结构方案的选择
     焊接实腹式I型截面门式刚架承重结构由刚架和基础两部分组成。这里须着重指出的是，与传统钢结构体系在受力计算时传力路径明确相比，门式刚架承重结构体系的刚架、檩条（或墙梁）以及压型钢板间通过可靠的连接和支撑相互依托，体系受力更趋向于空间化。门式刚架承重结构主要结构方案，按刚架型式分为无内柱净跨结构和有内柱多跨连续结构两类，前者跨距可达到48m，而后者之内柱连续跨距可达到30m。应用时还可根据具体工程，采用单坡和多坡以及不等跨、高等多种型式。基础型式多采用钢筋混凝土独立式基础。根据建筑对侧向位移和变形的不同要求，从节约用钢量的角度出发，可采用变截面梁柱、基础铰接结构方案或等截面柱变截面梁、基础刚接结构方案。设计时应依实际情况，按最合理的刚架承重结构方案选用。
3．2 檩条或墙梁与彩色金属压型钢板组合屋面或墙面围护结构主要结构方案的选择
     组合屋面和墙面围护结构的主要作用是：1）檩条和墙梁作为基本骨架与压型钢板组合成屋面和墙面围护结构，并参与结构受力。2）与支撑系统一起参与纵向传力和空间协同作用。
    檩条和墙梁目前主要的构件型式是采用C型或Z型薄壁型钢，截面大小均要经受力计算后确定。C型截面与Z型截面相比，强弱轴的力学性能差异较大，且与刚架的连接多为螺栓铰接，计算时须按简支考虑（Z型截面间可通过可靠搭接实现刚接，从而可按连续梁计算）。故从受力状态、计算结果以及构造等角度看，后者更合理一些。所以除门窗洞口以及其它特殊节点处理需要外，应优先选用Z型截面。檩条与墙梁的间距，一般决定于压型板的板型和规格，并须经过力学计算后确定。但从构造要求的角度上看，一般不超过1。5米。
     彩色金属压型钢板，按工厂加工制作的成品型式，分成压型板单板和复合板两类。单板主要用于无保温和隔热要求的建筑，依托其内侧檩条或墙梁组合成屋面和墙面围护结构。复合板主要用于有保温和隔热要求的建筑，按相应的施工和加工工艺，分成现场复合板和工厂复合板两大系列。工厂复合板在工厂加工（包括加芯）成成品，现场组合安装，依托其内侧檩条或墙梁，组合成屋面或墙面围护结构。采用此类复合板现场工作量小，施工快捷，适合于规模较大和工期要求较紧的彩板安装项目。但设备资金投入量较大，须形成一定的经营规模。现场复合板在工厂加工成单板，现场夹芯复合。屋面根据不同板型，依托其內侧有时甚至包括内部檩条，夹芯后组合成屋面结构。墙面复合板则多利用墙梁作內檩，夹芯后组合成墙面围护结构。现场复合施工周期较长，但设备资金投入量少，适合中小型经营规模，是目前没有形成一定产业规模地区，最适用的彩板安装型式。复合板的夹芯材料目前主要包括聚苯、聚胺酯泡沫、岩棉和玻璃棉等几类。设计时应根据项目规模、建设周期要求、综合技术水准以及地区产业发展状况酌情选择方案。
3．3支撑系统主要结构方案的选择
     支撑系统的主要作用是：1）纵向刚性系杆传递纵向水平力。2）水平支撑形成局部刚域，抵抗在柱间和屋面梁间传递的水平力作用。3）隅撑的作用则为约束I型截面远端翼缘板，起到远端翼缘板平面内支座作用，避免形成局部屈曲；或出平面支点作用，减小翼缘板的出平面计算长度，从而控制出平面稳定性。4）全部支撑系统与檩条或墙梁以及刚架一道组成空间体系，参与空间协同工作。刚性系杆构件主要选用型钢和钢管，与刚架通过螺栓铰接，截面大小一般按压杆稳定性要求或通过受力计算来决定。设置主要考虑在刚架转角和屋脊联结处（其中屋脊处的刚性系杆，可由用于此处屋脊构造需要的，刚度较大的双檩条及联结所代替）。另外，刚性系杆的间距主要取决于刚架构件的出平面稳定性要求，一般应为：在刚架斜梁上12—18m之间，在刚架柱上约8m左右，否则应考虑在其间增设。强调一点的是，刚度较大的吊车梁等均可作为刚性系杆考虑。水平支撑主要分为拉杆支撑和压杆支撑两类（又称拉力系统和压力系统）。拉力系统主要用于抵抗较小的水平力作用，和用于水平位移和变形要求不严格的建筑，而后者则相反。两者的界限参考上海地方轻钢规程规定，为后者吊车吨位应大于5t。水平支撑设置的最佳位置应考虑在每个温度单元居中设置，并要求屋面梁间和柱间水平支撑须设在同一开间，同时支撑间距按规程规定不应大于60m。另外，建筑的端部第一或第二开间，以及温度缝两側开间，考虑空间协同作用的需要，也要设置水平支撑。水平支撑的构件截面大小主要决定于纵向水平力作用，须经受力计算来确定。隅撑构造是连接于I型截面的远端翼缘和檩条或墙梁之间，起I型截面远端翼缘板的板件约束和平面外支点作用。隅撑设置主要在I型截面远端翼缘板的受压区，间距应符合避免翼缘板板件屈曲的条件和刚架平面外稳定性计算要求，目前主要按构造要求设置，取间距3m左右。隅撑杆件截面型式多选用小型钢，规格大小须经过受力计算来确定。应着重强调一点的是，门式刚架轻型房屋钢结构在考虑了压型板与檩条或墙梁共同工作所产生的蒙皮效应，以及组成空间受力体系协同工作，产生空间整体作用之后的最重要成果，是可使体系、特别是支撑系统简化，这一点也是目前科研工作的热点问题。


       4．门式刚架轻型房屋钢结构体系的技术发展
    与传统结构体系相比，门式刚架轻型房屋钢结构体系在理论还很不完善，存在着很大的理论探索空间。有鉴于此，围绕门式刚架轻型房屋钢结构体系应用过程中各环节的工作均不是简单的成果应用。另外，门式刚架轻型房屋钢结构体系在各个领域的技术进步和应用发展，除必要的技术导入之外，应根据自身能力，追逐理论热点，以科技为先导，开展必要的科研工作，以最大限度地挖掘利润空间，追求更大的经济效益和社会效益，满足生产和市场需要。就目前的热点问题有以下几个方面：
理论研究方面：1）应力蒙皮效应与结构共同工作的空间作用。2）I型变截面梁柱，在腹板局部屈曲后刚架结构体系的稳定极限承载力。3）以用钢量为目标函数，以极限承载力或不适合变形为控制参数的计算机分析、优化设计和评估软件系统的开发等。
实验验证方面：1）节点、基本构件和整体刚架结构，在静力和动力荷载作用下的受力性能、破坏机理和对稳定极限承载力的影响。2）刚架结构体系，在动力和地震荷载作用下的工作性能和破坏机理等。
设计与生产领域技术方面：1）门式刚架轻型房屋钢结构体系的进一步简化。2）构件、节点（包括刚架和彩板节点）设计的可靠性和方便适用性。3）焊接I型钢生产线的加工工艺的连续性和高效性，各环节效率如何协调同步，以及具体环节内的专项技术。如切割、组立（或拼装）、焊接、校正以及抛丸除锈和防腐处理技术等。
另外，门式刚架轻型房屋钢结构体系的安装技术有别与传统钢结构。刚架的安装要区别具体情况和自身安装能力，选择整体或组合吊装方案。整体吊装的主要优点是速度快，但机械和机具需用量大，并应注意吊装过程中的稳定和作业安全等问题；组合吊装机械和机具需用量少，但工作量相对较大，用时较长。并且由于作业量大，空中作业的安全性等问题显得十分突出。同时两者均须强调安装精度对结构受力的影响。压型板以及配套附件安装则应着重于根据不同板型的需要，选择不同的安装工艺，并且更强调板型连接和节点处理质量，达到外形美观和符合功能性要求等。

zhzb0126

不错，有些新东东。遗憾的是文章中的表格坏了。希望能有更好的东东拿出来交流交流。

xzzhuyu

不错不错！！非常棒！