浅谈门式刚架的设计和施工

摘 要：结合工程设计、施工实践和质量事故的分析，对门式刚架设计中的适用范围、柱脚和支撑系统以及柱脚、高强螺栓的施工和构件的安装等提出了几点建议，供广大工程技术人员参考。

关键词：门式刚架；轻型房屋；柱脚，支撑；高强螺栓；设计，施工

前言

门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，经历了近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系。这种结构型式属于轻钢结构的一个分枝，主要特点是：①结构轻型、构造简单、材料单一；②属于节能型产品；③可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；④结构坚固耐用、建筑外型新颖美观、质优价宜、经济效益明显；⑤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。因此被广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。

1 设计中应注意的问题

1.1 适用范围

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）（以下简称《门规》）1.0.2条规定[1]：本规程适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。

《门规》4.2.2条对门式刚架的尺寸等做了相应的要求。但是，实际工程由于工艺等专业要求，往往超过了这些限值。特别是当吊车起重量超过20t时，就应采用《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（以下简称《钢规》）计算。例如，压弯构件中翼缘和腹板的局部稳定就只能按《钢规》5.4.1和5.4.2条验算。

1.2 柱脚设计

柱脚分为铰接和刚接柱脚。当无吊车或吊车起重量小于5t时，可按铰接柱脚设计，通常采用平板支座，设一对或两对地脚螺栓。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。《钢规》和《门规》均规定，锚栓不能承受水平剪力。在设计中，水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹处的有效截面面积。

柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面不小于100mm[2]。

1.3 支撑和系杆设计

在门式刚架中，支撑体系是保证结构空间刚度和稳定的重要系统。如果支撑布置不当或片面追求节约而取消某些必要支撑，将会影响厂房的正常使用，甚至导致结构整体或局部倒塌。

在实际工程应用中应注意以下几点：①在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间。当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆；②在钢柱柱顶和屋脊处应沿房屋全长设置刚性系杆。如工艺或建筑许可，也可在钢柱中部设置刚性系杆来减少钢柱平面外的计算长度，以节省用钢量；③由于薄壁型钢檩条的侧向刚度不大，檩条不宜兼做刚性系杆。否则，檩条应满足对压弯杆件的刚度和承载力要求；④计算檩条时，应适当提高屋面活（雪）荷载。2008年的雪灾，很多门式刚架厂房的倒塌都是由屋面檩条破坏后拖拽刚架而造成的；⑤隅撑是保证斜梁下翼缘侧向稳定的重要措施。在每跨靠近梁端的负弯矩范围内、连续两根檩条下需设置隅撑，其他地方每隔一根设置一对隅撑。当刚架柱侧向刚度相对较小时，亦可设置隅撑来保证柱内翼缘受压稳定。

2 施工中应注意的问题

2.1 柱脚施工

通常情况下，钢柱底板与基础顶面之间预留一定的空隙（如图1），便于安装时调整钢柱的水平底标高和纵、横向垂直度，等安装形成完整的空间刚架时，就应及时进行二次灌浆。二次灌浆的预留高度，当柱脚铰接时不宜大于50mm，当柱脚刚接时不宜大于100mm。在施工中应注意：①对较大底面积的钢柱底板，应在避开加劲肋的适当位置，预留相应的观察排气孔，同时又可兼作最后的浆料补充口；②在二次灌浆前，应采用钢垫块保证钢柱底板的基本水平和钢柱的稳定（如有必要应增设揽风绳）。

图1柱脚的安装

2.2 高强螺栓的施工

门式刚架的节点均采用高强螺栓连接。我国现有大六角头型和扭剪型两种高强度螺栓，其连接性能和本身的力学性能都是相同的，仅外形不同，都是以扭矩大小确定螺栓轴向力的大小，不同的是大六角高强度螺栓的扭矩是由施工工具来控制，而扭剪型高强度螺栓是属于自标量型螺栓，其施工紧固扭矩是由螺杆与螺栓尾部梅花头之间的切口直径决定，即靠其扭断力矩来控制。在施工中应注意以下几点：①摩擦面的处理因根据设计和《钢规》要求进行。现场处理的摩擦面应单独进行摩擦面抗滑移系数实验，其结果应符合设计要求；②高强度螺栓连接摩擦面应自由穿入螺栓孔。高强度螺栓孔不应采用气割扩孔，扩孔数量应征得设计同意，扩孔后的孔径不应超过1.2d（d为螺栓直径）；③高强度螺栓连接副终拧后，螺栓丝扣外露应为2~3丝扣，其中允许有10%的螺栓丝扣外露1扣或4扣；④扭剪型高强度螺栓连接副终拧后，除因构造原因无法使用专用扳手终拧掉梅花头者外，未在终拧中拧掉梅花头的螺栓数不应大于该节点螺栓数的5%[3]。

2.3 构件的安装

国内外出现的门式刚架坍塌事故绝大部分是在刚架安装过程中发生的。在构件的安装时，应符合下列规定：①应根据场地和起重设备条件，最大限度地将拼装工作在地面完成；②安装顺序宜先从靠近山墙的有柱间支撑的两榀刚架开始。刚架安装完毕后，应将柱间支撑和屋面水平支撑（包括檩条、隅撑）等全部装好，并检查其垂直度，对柱脚进行二次灌浆。然后，以这两榀刚架为支撑，安装其余刚架；③除最初安装的两榀刚架外，其余刚架间檩条、墙梁和檐檩等的螺栓均应在校准后再拧紧。檩条和墙梁安装时，应及时设置拉条并拧紧，但不应将檩条和墙梁拉弯；④刚架在施工过程中应及时安装支撑，必要时增设缆风绳充分固定；⑤刚架和支撑等配件安装就位后，应检测和校正几何尺寸，确认无误后进行柱脚的二次灌浆。

3 结论

针对门式刚架的特点，本文对该类结构的设计和施工提出了几点建议，供实际工程参考。