门式钢架问题解答

门式钢架•一、超过本章1.9中所述适用范围的单层房屋可以采用门式刚架结构吗？此时设计中应注意哪些问题？•超过上述适用范围的单层房屋当然可以采用门式刚架结构，上述适用范围只是针对CECS102:2002的具体规定而言，并不是说门式刚架结构这种形式超过了这些范围就不适用了。事实上由于门式刚架的内力分布比较均匀、外形较为美观、制作安装亦较方便，北京西郊机库和大连南关岭粮库等都达到单跨72m，采用门式刚架单层房屋钢结构；也有吊车吨位达到240t、350t的工业厂房采用门式刚架结构形式的单层房屋钢结构；檐口高度达到27m甚至32m的门式刚架单层房屋钢结构也见诸实际工程，只是这些工程的刚架柱不再是H型钢柱，而多采用格构柱或两型钢组合的实腹柱。•超过上述适用范围的单层房屋采用门式刚架钢结构时，除了维护结构和檩条、墙梁等次结构可以基本上参照《门式刚架轻型房屋钢结构》CECS102:2002的相关规定之外，主结构设计宜按照下述建议考虑：1.31.10［］［］•⑴主结构设计不宜依据CECS102:2002的规定，而应执行《钢结构设计规范》GB50017―2003的相关规定，抗震设防地区的房屋还应执行《建筑抗震设计规范》GB50011―2001的相关规定。•⑵有大吨位吊车的厂房以及厂房较高时宜采用格构柱；吊车吨位大于20t时，不宜采用柱子上牛腿支撑吊车梁，有大吨位吊车的厂房柱宜由肩梁支撑吊车梁。•⑶刚架跨度不小于60m以及柱子比较高时，在计算水平地震作用的同时，应计算竖向地震作用；柱脚与基础的连接应按刚接设计，采用靴梁式柱脚、插入式柱脚或埋入式柱脚。•⑷跨度等于或大于36m的实腹式门式刚架，由于梁的高度较大，轻钢房屋梁翼缘的宽度一般不大，而隅撑-冷弯薄壁型钢檩条体系提供的侧向刚度较小，为防止梁的受压下翼缘平面外失稳，有两种做法可供考虑：一是将屋盖横向支撑的直腹杆通过隅撑约束下翼缘，在下翼缘的相应位置设置纵向通长系杆（刚性或柔性），屋盖横向支撑的直腹杆除了承受作为支撑桁架腹杆的轴力外，还承受下翼缘（包括相邻横向支撑之间一半开间的斜梁下翼缘）通过与此直腹杆相连的隅撑传来的力，因此，此直腹杆属于压弯构件，应按压弯构件设计；另一种做法是在对应于屋盖横向支撑直腹杆的位置、在斜梁腹板靠近上翼缘处设置纵向通长刚性系杆，杆端连接应采用两个螺栓，并通过隅撑约束下翼缘，此刚性杆也应按压弯构件设计，这种做法用钢量稍多一些。•⑸刚架跨度不小于60m或更大时，斜梁宜采用折线形或截面采用桁架形式；屋盖支撑除了设置横向水平支撑外，还必须设置纵向水平支撑，形成封闭式支撑体系，支撑构件及系杆应采用型钢。•⑹材料宜采用Q345B及以上等级的钢材。•⑺对于在强侵蚀介质环境中的房屋采用门式刚架钢结构，应采取有效措施保护结构构件，例如根据侵蚀介质的具体情况，在柱子外围用抗腐蚀性能强的材料包裹等。•二、CECS102:2002的4.5.2条第7款规定：“在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。”这是出于何种考虑？•有桥式吊车的门式刚架轻型房屋（单层厂房），常有在吊车运行中（特别是空车运行时）出现晃动的情况，从结构设计的角度而言，可能是由于吊车梁的侧向刚度偏小，也可能是房屋整体刚度不足；桥式吊车的吊车吨位较大时，大部分情况是房屋整体刚度不足产生的问题，因此CECS102：2002的4.5.2条第7款规定：“在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。”纵向水平支撑桁架可将各个平面刚架连在一起共同承担吊车在局部作用的摇晃力，同时屋盖纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭体系，加强了屋盖整体刚度，这是避免吊车在运行中出现晃动行之有效的设计方案。实际上，对于吊车吨位较小的情况下，如果校核设计后确认吊车梁的侧向刚度符合要求，也可以在屋盖边缘设置纵向水平支撑桁架，使得行车更为平稳。•此外，CECS102：2002的第4.5.5条规定“当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，柱间宜采用型钢支撑。”同理，当设有起重量不小于15t的桥式吊车时，屋盖支撑亦宜采用型钢支撑。•三、CECS102:2002的4.5.2条第2款规定：柱间支撑间距，无吊车时取30～45m，而有吊车时为不大于60m，为何有吊车时支撑的设置间距要大一些？•CECS102:2002的4.5.2条第2款条文说明指出，“设置柱间支撑时不必考虑温度应力。无吊车时，柱间支撑间距是参考国外有关规定并结合我国实际情况采用的。有吊车时，型钢支撑的布置已考虑到减少温度应力，且构件间用螺栓连接，温度变形可由螺栓连接间隙和构件变形吸收。”从这一段说明，我们可以理解，实际上不是有无吊车的问题，而是采用柔性支撑还是刚性支撑的问题。柔性支撑刚度较小，支撑构件本身变形较大，吸收温度变形的能力较小，甚至谈不上利用螺栓连接间隙吸收温度变形的问题；而刚性支件变形吸收温度变形的能力比较大，因此支撑间距亦可以大一些。•四、对于牌号为Q235A的碳素结构钢，如果加工成结构构件前检验其含碳量小于0.2%，是否可用于焊接构件？•国家标准《碳素结构钢》GB700中，Q235钢分为A、B、C、D四个等级，其中A级钢不要求任何冲击试验值，并只在用户要求时才进行冷弯试验，且不保证焊接要求的含碳量，故焊接结构构件不建议采用；即使对于某一批Q235A钢材检验其含碳量不大于0.2%，但因其不是出厂保证条件，因此仍然不宜用于焊接结构。•五、CECS102第6.1.6条第6款规定“斜梁不需要计算整体稳定性的侧向支撑点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的倍。”是不是必须遵守的构造要求？•斜梁不需要计算刚架平面外的的整体稳定性的侧向支撑点的最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的倍，这是参照《钢结构设计规范》GB50017中对于等截面简支梁不需验算整体稳定的规定，但不是必须遵守的构造要求，只是为设计过程中初选截面时作参考，超过这一数值时需要作整体稳定验算。实际上计算软件总是会进行刚架平面外整体稳定性验算的，一般说来，由于刚架斜梁不属于简支架且其一般不是等截面梁，当侧向支撑点间的最大长度，达到斜梁受压翼缘宽度的倍时，通常仍能满足刚架斜梁整体稳定性要求。16235/yf16235/yf20235/yf•六、有吊车时，边柱柱脚为刚接的多跨门式刚架的中柱可以采用上下铰接的摇摆柱吗？•CECS102第4.1.4条规定：“门式刚架的柱脚多按铰接支撑设计，……。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。”在建设工程施工图审查中，发现有些设计工程师认为，“宜将柱脚设计成刚接”既然是“宜”而不是“应”，那么设计成铰接当然也可以，从而认为当桥式吊车起重量为5t时可以采用上下铰接的摇摆柱，这是一种不应有的推论。需要注意的是CECS102第4.1.4条说的是柱脚连接，没有说柱顶与斜梁的连接，凡带有吊车的柱顶与斜梁应采用刚接，如吊车吨位小，柱脚可以铰接，但不是摇摆柱，所谓“摇摆柱”，是指只承受轴向力的构件，即所谓二力杆，而当有吊车时，搁置吊车梁处有弯矩和吊车的横向刹车力，即不再是只承受轴力方向的构件了，因此，有吊车的多跨门式刚架的中柱不应该采用摇摆柱，采用摇摆柱使得房屋刚度很差，行车晃动。•七、CECS102规定门式刚架轻型房屋钢结构房屋的纵向伸缩缝间距取300m，超过时如何设伸缩缝？•当采用连续檩条和金属墙面时，若伸缩缝未能妥善处理，屋面可能有漏雨。根据某外资公司的经验，对于无吊车房屋，长度小于180m时不需要考虑温度变化的影响，大于180m但小于450m时，不需设置伸缩缝。纵向构件一般采用螺栓连接，总长度大于180m但小于450m时的伸缩可由纵向构件端部连接处的螺孔消除，连续构件内力的变化不会对结构的整体性或使用性能产生不利影响。•CECS102规定房屋的纵向伸缩缝间距取300m，但对于有桥式吊车的门式刚架型钢结构房屋，考虑到吊车梁截面较大，温度变化也较大，而且由于吊车梁（尤其是突缘式支撑吊车梁）连接螺栓的构造可以传递拉力和压力，使吊车梁的温度应力释放有限，有工程实例表明，温度区间过长时导致柱间交叉支撑中的压杆严重弯曲，因此对于有桥式吊车的房屋纵向伸缩缝间距的规定应该更为严格。•CECS102第4.3.1条除了规定伸缩缝的最大间距外，还规定“当需要设置伸缩缝时，可采用两种方法：在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许胀缩或设置双柱。”据之有些设计工程师，如图3.1-1所示在伸缩缝处设置支撑。•对于图3.1-1所示在伸缩缝处设置支撑，从长圆孔的构造做法来看，如果能有效解决伸缩问题，则不能传力；如果能传力，说明其不能自由滑动，则不能有效解决伸缩问题，因此图3.1-1的做法是不合适的。按照CECS102第4.3.1条的规定，在伸缩缝处设置支撑应该如图3.1-2所示，支撑应该设在设置伸缩缝开间的两侧，这样在设置伸缩缝开间的两侧都各自独立形成稳定的几何不变体系，两侧的水平力不互相传递，在这种情况下伸缩缝开间的系杆可开成长圆孔，或者可以不设系杆。•八、门式刚架轻型房屋钢结构的经济跨度和刚架间距取多少较为合适？•仅从结构设计的角度而言，刚架的用钢量一般说来随其间距的增大而减小，但吊车梁以及次结构（檩条、墙梁和支撑等）的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无吊车的情况，次结构的用钢量约占总用钢量的30%～45%；有桥式吊车时，吊车梁的用钢量与吊车梁的跨度、吊车台数、起重量以及吊车桥架的跨度有关，刚架用钢量与吊车台数、起重量、吊车桥架的跨度以及轨道标高和刚架柱高等多种因素有关，次结构的用钢量占总用钢量的比重难于有一个确定的范围。•这里所谓的经济用钢跨度和刚架适用间距，是仅从总用钢量最少的角度来讨论的•刚架的跨度通常由使用要求确定，仅从经济角度（包括次结构在内的用钢量的角度）而言，无桥式吊车和悬挂吊车时，刚架的经济用钢跨度约为21～24m之间，大于36m就不经济了；当有桥式吊车时，其经济用钢跨度大概在24～30m之间。有桥式吊车时的经济用钢跨度反而大于无桥式吊车时的经济用钢跨度，主要是因为吊车梁的用钢量在总用钢量中所占比重随刚架跨度增加而减少。3.13.2［］［］•门式刚架轻型房屋钢结构的刚架间距通常采用6m、7.5m、9m、12m等，在工程实践中，刚架间距通常由使用要求确定；对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以7.5～9m为宜（因为薄钢檩条的截面最大高度不宜超过250mm）；当没有悬挂荷载或悬挂荷载不挂在檩条上，或采用高频焊接薄壁H型钢、或采用高频焊接轻型H型钢檩条，或采用格构式檩条时，刚架间距可做到12m，甚至15m，此时侧墙宜设墙架柱；通常，大跨度宜采用大间距，跨度与间距的比一般为3.5～5为宜。对于有桥式吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6～7.5m为宜。有桥式吊车时，刚架的经济用钢间距比无桥式吊车时小，是因为次结构和吊车梁等纵向构件的用钢量随刚架间距减少而减少，而刚架用钢量则随刚架间距的增加而减少，总用钢量呈随刚架间距减小而减少的趋势。•此外，在讨论刚架的经济跨度和适宜间距时还需要考虑其他一些影响门式刚架轻型钢结构房屋的经济性的因素：一是基础数量的影响，门式刚架柱基础的特点是其控制设计的工况多为大偏心，基础底盘需较大尺寸，因而基础的数量和造价对整个工程造价有较大的影响，一般说来9m的刚架间距比6m的刚架间距将可大大减少基础工程量；其次是工期的影响，刚架间距大，构件数量减少，有利于降低运输费用、减少吊装工程量和缩短施工工期，基础数量的减少也将有利于缩短工期，有利于业主提前还贷或尽快获得运营收益。［3.2］•九、为什么CECS102推荐采用单脊双坡门式刚架，而不推荐采用多脊多坡门式刚架？•图4.1-1中作了多脊多坡与单脊单坡房屋的比较，显然，在其他条件都相同的情况下，屋脊两侧各需一根檩条，而内天沟两侧亦各需一根檩条，因此，多一个屋脊就需要多一根檩条；多一个内天沟也需要多一根檩条，同时也增加了内天沟和落水管、室内排水沟的用料，设置内天沟还容易因积水、堆雪效应而加大荷载，甚至导致渗漏。如果因为室内排水沟淤塞需