单层钢结构厂房设计探讨

摘 要：近年来随着国家经济的发展，钢结构厂房的应用越来越普遍。门式刚架当吊车吨位超出轻钢规程时，其计算方法及构造措施应严格遵守钢结构规范要求，门式刚架结构基础由于其自重轻、弯矩大，可采用增加压重办法减小基础截面。

关键词：门式刚架；厂房；钢结构设计

随着社会经济的发展和科技的进步，钢结构在建筑领域扮演着越来越重要的角色。由于门式刚架钢结构厂房造型美观，施工速度快，越来越多的在单层厂房中应用，但很多情况下由于吊车吨位及厂房高度较大，已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的应用范围，需按《钢结构》规范执行。下面本文就单层钢结构厂房设计进行分析探讨。

1 梁柱拼接点的设计

梁柱之间端板连接有端板竖放，端板斜放及端板平放三种形式，端板斜放虽然力臂较大，但施工比较困难，所以一般不采用，当采用内天沟排水时，端板竖放时，节点加劲肋会影响天沟的放置，可以采用端板平放的方式。端板平放可减小节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点的有利作用，是比较合理的一种节点形式。由于端板连接与计算假定的刚性节点有一定的差距，所以要保证节点的刚性使之与计算假定相符。端板连接是一种半刚性的连接形式，其传递弯矩的能力与端板的厚度，螺栓直径及布置有关。首先，螺栓直径间距不宜过大，门式刚架规程要求螺栓间距不应大于400mm，这比钢结构规范16d放松了不少，所以当吊车起重量较大、超出轻钢规程时，应严格执行钢结构规范的要求。其次，端板厚度不宜过小，如果端板过薄，就可能传递不了该截面的弯矩，不能保证刚架的安全。端板连接螺栓的受力计算，假定以高强螺栓群中心为抗弯中和轴进行计算，端板连接宜考虑撬力的不利影响，端板厚度不应小于螺栓直径。

2 梁柱翼缘的宽厚比限值

工字形截面构件受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比不应大于15（Q235钢）。而抗震规范规定，梁翼缘宽厚比限值：7度为11，8度为10，9度为9（Q235钢）；柱翼缘宽厚比限值：7度为13，8度为11，9度时10（Q235钢），这表明在抗震区有更严格的要求。对于轻型门式刚架、屋面荷载较轻，吊车吨位小，按8度抗震区验算，一般均不控制。为此，建议在7，8度地震区时，当刚架梁的翼缘宽厚比b/t超出以上规定时，可取以上规定的b/t验算其抗震强度，即超出部分不计。而对于吊车吨位较大已超出轻钢规程范围的厂房，原则上应遵守抗震规范的规定。

3 支撑的布置

厂房结构应有完整的支撑体系以形成有效的传力途径，首先，应设置屋面横向水平支撑，屋面横向水平支撑可增强屋面刚度，保证屋面梁的侧向稳定性，将抗风柱作用于屋面梁的风荷载通过支撑传至柱顶。同时在横向交叉支撑之间应设置刚性压杆以形成传递水平力的几何不变体系。

其次应在柱顶，屋脊及刚架转折处设通长系杆，当抗风柱与刚架梁上翼缘连接时，在相应位置的端跨设置刚性压杆，以传递抗风柱传来的力。当设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，在屋盖两侧设纵向水平支撑，它可使吊车荷载产生的柱顶横向荷载分布到相邻的刚架柱，提高厂房的整体刚度。屋面横向水平支撑应与柱间支撑相协调，一般应设在同一跨间，形成一个几何不变的支撑体系。屋面纵向支撑应尽可能同横向支撑形成封闭的支撑系统，以增强整个厂房的刚度。对于轻型钢结构厂房、应在刚架梁下翼缘受压处设置隅撑，保证刚架梁的侧向稳定性且作为刚架梁的平面外支撑点。而对于吊车起重量较大的普通钢结构厂房，其刚架梁平面外计算长度宜取屋面交叉支撑间距离，屋面交叉支撑点处设通长系杆，在屋面支撑跨间为刚性系杆，其余跨间为拉杆即可。屋面支撑及柱间支撑杆件宜采用型钢支撑；当吊车起重量小于5t时，屋面支撑也可采用圆钢支撑，但应采用花篮螺栓张紧，保证屋面的刚度。

4 拉条的设置

关于拉条的设置，拉条的力一般需传至刚架上，在屋脊处设置斜拉条及撑杆，拉条的力在屋脊处从斜拉条及撑杆传至檩条的端部，靠近檩条与刚架结点，相当于传至刚架。撑杆必须与斜拉条同时设置，才能形成一个几何不变的传力体系。同理，当屋面开天窗时，在开天窗处的下侧也应设置斜拉条及撑杆，否则拉条的力都传至开孔处的檩条，如果这根檩条不加强，很可能造成这根檩条的强度不足而产生破坏。当墙面开窗时，应在窗洞下设斜拉条及撑杆，把窗下侧的力传至刚架。有时当墙面很高时，仅在墙顶面处设置斜拉条及撑杆就不一定能满足要求，应在墙面一定高度处增设撑杆及斜拉条，可将一部分力传至相邻的刚架柱上。对于墙板，特别是单侧挂板的墙面，宜设置双拉条，外侧拉条的作用作为墙板在竖向自重下的墙梁支撑点，里侧拉条可作为墙梁在水平风荷载下受压翼缘的侧向支点，以提高墙梁在风荷载作用下的整体稳定性。对于屋面檩条，由于屋面板一般为扣合式，屋面板与檩条间可有微小的错动，并不能约束檩条上翼缘，所以在其高度三分点处分别设置拉条。

5 柱脚的形式

当吊车吨位较大时，柱脚应采用固接形式，在抗震区，宜采用埋如式或插入式柱脚，6，7度时也可采用外露式柱脚，对于插入式柱脚在钢柱根部截面很容易满足塑性铰的要求，当埋入深度达到柱截面高度2倍时可认为柱脚的恢复力特性基本呈纺锤形。一般的外露式柱脚，作为半刚性考虑更合适，它与钢柱根部截面的全截面屈服承载力相比，多数情况由于锚栓屈服所确定的弯矩较小，所以主要由锚栓性能决定。实际的柱脚，在锚栓截面未削弱部分屈服前，螺纹部分就断裂，难有充分塑性发展，所以说螺栓设计应加强，首先螺栓计算应取柱底最不利内力的1.2倍计算，这样可保证强节点弱构件。其次柱脚底板的厚度不宜小于螺栓直径的1.3倍，以保证柱脚的刚度。在有柱间支撑处，可在柱脚中部增设一对螺栓，以承受柱间支撑传来的上拔力产生的竖向分力。

6 基础的设计

6.1 基础受力特点

对于钢结构厂房铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计比较简单；而对于刚接柱脚，基础则要受偏心荷载作用，偏心距为e=（M+Vh）/（N+G），对门式刚架钢结构厂房来说，以下因素决定了基础受力特点：