建築鋼結構應用技術專題講座
講稿魏潮文
二零零四年九月
1. 門式剛架輕型房屋鋼結構優化設計介紹
內容主要包括門式剛架、支撐和檁條的優化設計介紹，本章討論門式剛架設計，支撐和檁條的優化設計在第4章中討論。
1.1 門式剛架輕型房屋鋼結構的組成及其技術特點
1.1.1 門式剛架輕型房屋鋼結構的組成
基本組成（圖1.1.1）
圖1.1.1所示各部件組成能協同工作的、穩定的整體，它們可分成四大部分：
主結構－剛架，吊車梁；
次結構－檁條，牆架柱（及抗風柱），牆；
支撐結構－屋蓋支撐，柱間支撐，系杆；
圍護結構－屋面（屋面板、採光板、通風器等），牆面（牆板、門、窗）。
1.1.2 門式剛架輕型房屋鋼結構的技術特點
門式剛架輕型房屋中的剛架又稱山形門式剛架。壓型鋼板屋面為長坡面排水創造了條件，因而在多跨建築中常做成單脊雙坡的大屋面，多跨建築的中柱常採用上下鉸接的搖擺柱，可用鋼管製作，占用空間小，且省材。實腹式單跨剛架的跨度國內最大的達83m，國際上實腹式門式剛架的跨度最大達150m。
就面積而論，單幢廠房或超市達幾萬m2的已屢見不鮮，例如：2023年初竣工投入使用的安徽蕪湖951工程1號廠房達7.56萬m2（240m×315m）；2023年竣工投入使用的浙江杭蕭鋼構股份****主廠房達8.
76萬m2(192m×456m)，等等，與傳統的單層房屋相比，這種結構有如下一些特點：
1） 輕；
2） 剛架構件腹板按有效寬度理論和拉力場理論進行受彎和受剪計算，使腹板厚度顯著減薄。加之屋面很輕，從而剛架構件可以做得很輕。
3） 採用壓型鋼板輕型屋面和牆面，其本身重量既輕亦使支承它的結構也輕，同時，由於屋面與簷檁，脊檁(以及中間檁條)和牆面牢固連線，檁條又與剛架牢固連線，因而屋面壓型鋼板可視為起應力蒙皮作用的隔板（圖1.1.2），從而提高剛架結構的整體剛度，有效減小結構的實際位移，亦因此使檁條和牆樑及其隅撐可作為剛架構件受壓翼緣的側向支承點。
4） 剛架採用變截面，基本上按彎矩圖形的變化以及施工方便來改變腹板高度和厚度以及翼緣尺寸(上下翼緣可用不同截面，相鄰單元的翼緣也可採用不同截面)，充分做到材盡其用。加之採用輕質屋面，剛架構件以及檁條可以做得很輕，因而有很好的經濟性。
5） 剛架的側向剛度用隅撐來保證，由於隅撐用料很少，其間距可以做得較小，因而剛架構件的翼緣寬度亦可做得小，而腹板高度可加大，允許腹板失穩，利用腹板屈後強度，腹板按有效高度設計，腹板高厚比可做得較大，從而進一步節省材料。
6） 由於剛架構件輕，可以採用平板柱腳以及考慮這種平板柱腳對剛架柱的嵌固作用，支撐也可以做得很輕便。
7） 結構構件可全部在工廠製作，工業化程度高，目前，國內一些大的鋼構公司已逐步實行標準化，系列化，構件單元根據運輸條件劃分，單元之間用螺栓在現場連線，方便快捷。基礎亦簡單，土建施工量小。亦便於拆遷。
8） 構件單元之間用端板連線，延性好，加之自重輕以及屋面蒙皮作用，對抗震有利。
由於上述特點，這種結構體系用鋼省，造價低，製作簡便，安裝快捷，施工周期短，商品化程度高，而且其適用性廣，造型美觀，在建築市場上具有很強的競爭力。但亦因其輕，對於風載較大或者房屋較高時，必須特別注意風載作用下的連線設計與施工。
1.1.3 cecs 102:2002的適用範圍
cecs 102:2002適用於主要承重結構為單跨或多跨的下列單層門式剛架輕型房屋鋼結構的設計、製作和安裝：
1) 具有輕型屋蓋和輕型外牆的房屋。屋面板和牆板材料可選用建築外用彩色鍍鋅或鍍鋁鋅壓型鋼板、夾心壓型複合板和玻璃纖維增強水泥外牆板(grc板)等輕質材料，抗震設防烈度不高於8度時，外牆可採用砌體：當抗震設防烈度不高於6度時，外牆可採用嵌砌或非嵌砌砌體；當抗震設防烈度為7度、8度時外牆可採用非嵌砌砌體。
屋面採用夾心壓型複合板時其蒙皮作用不如壓型鋼板屋面板，採用cecs102:2002時宜考慮這一因素。
2) 剛架的跨度不大於36m，簷口高度不大於12.5m。
3) 輕、中級工作制(a1~a5)橋式吊車的起重量不大於20t。懸掛式起重機起重量不大於3t，當有實際需要時起重量允許不大於5t，但必須按第十二章採取加強房屋整體剛度的構造措施。
4) 多層鋼結構房屋的頂層採用門式剛架輕型房屋鋼結構及其屋蓋時，該部分結構的設計、製作和安裝可參照cecs 102:2002執行，但應進行整體分析，包括抗震分析，考慮其下部結構對頂層內力和位移的影響。
5) 門式剛架輕型房屋鋼結構的構件截面較薄，因此cecs 102:2002不適用於強侵蝕介質環境中的房屋。
1.2 關於結構形式和布置
1.2.1 cecs102:2002不推薦多脊多坡
圖1.2.1中作了多脊多坡與單脊雙坡房屋的比較，顯然，在其它條件都相同的情況下，屋脊兩側各需一根檁條，而內天溝兩側亦各需一根檁條，因此， 多乙個屋脊就需要多一根檁條；多乙個內天溝也需要多一根檁條，同時也增加內天溝和落水管、室內排水溝的用料，設定內天溝還容易因積水、積雪而加大荷載，甚至導致滲漏。
如果因為室內排水溝淤塞需要疏通，還將影響正常使用，多脊多坡不等高剛架上述問題更嚴重，應盡可能不採用。國內最大單坡長度做到120m, 剛架此時應注意屋面構造，確保排水暢通。不過，當跨度較大，由位移控制設計時，可能要增加剛架的用鋼量，此時還是以多脊多坡可能較為有利。
1.2.2 cecs102:2002關於中柱採用搖擺柱的數量限制
風荷載不很大且房屋並不特別高時，為減少剛架用鋼量，多跨剛架中間柱可採用兩端均為鉸接的搖擺柱（簡稱擺柱），但兩根與樑剛接的柱之間擺柱的數量不宜超過三根（圖1.2.2）。
1.2.3 剛架的合理間距
剛架的用鋼量一般說來隨其間距的增大而減小，但吊車梁、檁條、牆樑的用鋼量則隨剛架間距的增大而增大。對於無橋式吊車的單層門式剛架輕型房屋，剛架間距以6m～9m為宜（因為薄鋼檁條的截面最大高度不宜超過250mm）；當沒有懸掛荷載或懸掛荷載不掛在檁條上，或採用高頻焊接輕型h型鋼檁條，或採用格構式檁條時，剛架間距可做到12m，此時側牆宜設牆架柱；通常，大跨度剛架宜採用大間距，跨度與間距的比一般以3.5～5為宜。
對於有10t以上吊車或較大的懸掛荷載的單層門式剛架輕型房屋，剛架間距以6m為宜。
1.2.4 托樑或托架兩側(或一側)布置縱向水平支撐
在多跨剛架區域性抽掉中柱(或邊柱)處。可布置托樑或托架。此時應在其兩側(或一側)布置縱向水平支撐，並向兩端各延伸乙個開間，如圖1.
2.3，以加強整體剛度，並保證托樑(托架)的整體穩定性。
1.2.5 山牆
山牆可設定由斜樑、抗風柱和牆樑及其支撐組成的山牆牆架；當有抗震要求或有擴建要求時，不宜採用山牆牆架，而宜採用門式剛架。
1.3 門式剛架設計
1.3.1 滿應力設計法
剛架採用變截面構件，當為承載能力極限狀態控制設計時，其截面變化的根據主要是彎曲應力與軸壓應力兩者計算值「組合」的應力圖形的變化。利用截面變化，使各截面「組合應力」與材料設計強度值的比值（以下簡稱應力比）盡可能接近，也就是使材料分布更接近於應力圖形的分布，這就是滿應力設計法（或稱為等強度設計法）。在確定了結構布置、結構及構件的選型後，在保證安全可靠的前提下，滿應力設計法是使剛架設計得經濟合理的基本方法，也是採用彈性設計法的變截面剛架較之採用塑性設計法的等截面剛架更為節省剛架用鋼量的主要手段。
應力比的最大值可以根據計算簡圖與實際工程的差異情況（例如：杆端約束情況，設計荷載是否充分考慮或尚有裕量等等）以及工程的重要程度和施工水平等因素由設計工程師靈活掌握。
當為正常使用極限狀態控制設計，例如：側移控制時，宜採用q235鋼材，且宜加大梁的抗彎剛度或把鉸接柱腳改為剛接柱腳，如果中柱採用搖擺柱時，亦可將其中部分搖擺柱改為與樑剛接的柱，以加大剛架的抗側移剛度。
1.3.2 變截面剛架的構件形式
1.3.2－1剛架柱
對於無吊車單層輕鋼房屋：
邊柱及與樑剛接的中柱採用楔形柱；
擺柱及與樑剛接的中柱採用等截面柱（h型鋼、圓管、方管、矩形管）
對於有橋式吊車的單層輕鋼房屋：
吊車起重量<5t，採用與樑剛接的楔形柱或等截面柱
吊車起重量5t,採用等截面柱,與樑剛接,宜採用剛接柱腳.
1.3.2－2剛架斜樑
可採用楔形梁(圖1.3.2－1a)、雙楔形梁（圖1.
3.2－1b）或加腋梁（圖1.3.
2－1c，d）。選用哪一種形式可結合製作單位的生產工藝而定，國內各公司多採用圖1.3.
2-1c，d的形式。
圖剛架梁可沿梁長分段變化截面高度和腹板厚度、翼緣寬度和厚度，同一運輸單元段翼緣不變化寬度，不同單元段連線處梁高度應相等。當翼緣寬度變化明顯時（例如相差30mm以上），宜用梯形板或三角板使翼緣平緩過渡，以免產生應力集中（如圖1.3.
2－2）
初選截面時梁端加腋長度的選取可參考表1.3.2。
對於單跨剛架，山尖處的加腋主要是為連線高度的需要，如果山尖一側斜梁加腋的水平長度與剛架跨度的比值不大於0.05，在內力及變形計算時，可不考慮此段截面變化。
考慮樑端加腋長度時，宜綜合考慮如下幾個因素：樑端截面的承載力要求以及樑端與柱連線處對連線高度的要求；為利用腹板屈後強度，腹板高度變化率不超過60mm/m；梁與中柱採用柱頂平接時，考慮運輸長度的限值（火車運輸要求構件長度不大於12m）。
表1.3.2 樑端加腋長度與梁跨度的近似比值
1.3.3 變截面剛架截面尺寸粗估
1.3.3-1 工字形截面尺寸模數（圖1.3.3）
截面高度h以10mm為模數；
截面寬度b以5mm為模數（多數設計工程師亦取10mm為模數）；
腹板厚度可取4mm、5mm、6mm、8mm等，6mm以後以2mm為模數；對於技術條件較好，質量控制嚴格的製作單位，的最小值允許取用3mm；
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