门式刚架轻型房屋钢结构的发展及应用
门式刚架轻型房屋钢结构的发展及应用
随着经济的飞速发展，我国已成为世界上钢产量大国之一，发展建筑钢结构是我国新的建筑技术政策，也是未来经济发展的必然选择。本文结合自身实际经验为门式刚架轻钢结构和彩丰富且耐久的围护结构作简单的阐述。
标签：结构设计；应用；建设
1 发展概况
1.1 国外发展状况
早期，国外门式刚架轻钢结构主要用于建造私人汽车库等简易房屋。二战中，一些拆装方便的轻钢结构建筑用于营房和车库。随着材料的发展，彩丰富且适应性强的彩钢板的出现，H型钢和冷弯型钢的问世，极大地推动了门式刚架轻钢结构的发展，其作为一种特殊商品用于国外建筑中。在美国，非居住单层建筑中50%以上为门式刚架轻钢结构体系，在英国则达到了60%以上。日本新建的1～4层建筑，也多采用了门式刚架轻钢结构。
1.2 国内发展状况
三十多年前，为援外工程和三线建设的需要，我国对门式刚架轻型钢结构进行了试验研究，并在广东韶关塑料厂工程中进行了试点。文化大革命前，原建工部北京工业建筑设计院参考当时美国和英国资料，编制了一套门式刚架通用设计图集，跨度分别为12m、15m、18m，分单跨和双跨，可配2t悬挂吊车。但当时围护结构的材料只有石棉水泥瓦，属轻屋面材料。文化大革命期间，由于国内钢材供应紧张，门式刚架轻钢结构发展比较缓慢。改革开放以来，外国轻钢结构公司纷纷进入中国市场。进入八十年代后，在深圳等沿海地区的建设中，也从国外引进了大量的门式刚架轻型钢结构房屋，主要用于厂房、车间、样板房等，跨度以21～24m居多，这些房屋具有协调的彩，搭配上铝合金门窗，使建筑物极具现代风格。1994年建设部根据我国经济建设的需要，将“轻型钢结构门式刚架”作为“快速房屋体系”课题之一，列入新技术新产品开发项目，由北京华洋建设开发有限公司承担，建设部长沙建筑机械研究院协作，在长沙中联公司混凝土机械厂房工程中进行了试点，为门式刚架轻钢结构的销售、设计、制作、安装等积累了经验。为了适应门式刚架结构发展的需要，由中国建筑金属结构协会，建筑钢结构委员会，中国建筑标准设计研究所等单位主编的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》于1998年9月16日开始执行，该规程的编写，较广泛地研究了国外的资料，较多地吸收了国外成热的经验，为门式刚架轻钢结构提供了技术基础。
2 门式刚架轻钢结构的主要组成部分
承重结构多采用三块钢板焊接工字型组合截面组成的门式轻钢刚架，檩条和墙梁为冷弯z型钢或冷弯内卷边槽钢，楼面采用压型钢板——混凝土楼板组合楼盖，墙面及屋面采用彩压型钢板，压型铝板或压型复台板，保温材料采用岩棉、矿棉和超细玻璃棉等。
3 门式刚架轻钢结构的主要特点
（1）产品新颖别致，时代感强，具有系列化、标准化、工厂化现代生产规模，从围护结构到承重结构都可形成系列。
（2）工期短，5000～10000m的单层房屋从签订合同到建成一般只需3个月左右，可以缩短工期，早日投入使用加快投资回收。
（3）内部空旷，结构新颖。在商业建筑中可减少吊顶等装修造价，还能满足大跨度的要求。
（4）重量轻，门式刚架轻钢结构的重量是混凝土结构的1/8～1/10，是普通钢结构的1/2～1/3。因而可降低地基基础造价，减小地震作用的影响。
4 门式刚架轻钢结构的应用
（1）单层工业厂房，门式刚架轻钢结构因其重量轻，跨度大，易于组合，是建造单层厂房的优选结构形式，厂房内可设5t以下悬挂吊车或起重量小于20t的中轻级工作制吊车。
（2）单层仓储建筑，采用门式刚架轻型结构外形美观，库内空间大，施工周期短，改建或转型容易。因此，可广泛用于码头仓库，商品仓库及工厂各种库房。
（3）商业建筑，随着城乡经济繁荣，各种商业建筑，如超级市场、贸易中心、农贸市场等都要求建筑物跨度大，视野开阔，门式刚架结构是合理的结构形式之一。
5 门式刚架轻钢结构的设计
5.1 屋面活荷载取值
框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式钢架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设
计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15～0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5kN/m2。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。有女儿墙或者高低跨屋面时，在靠近女儿墙处及高低跨交接处的低跨局部屋面，其雪荷载为平屋面雪荷载的两倍，此处檩条设计时应注意。
5.2 屋脊垂度要控制
框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于是验算了跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。
5.3 钢柱换混凝土柱钢结构房多少钱一平米
少数设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与混凝土柱中
的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用混凝土柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成混凝土柱，而梁截面不变。应当指出，混凝土柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成混凝土柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。
5.4 檩条计算不安全
檩条计算问题较大。檩条是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能像热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规范》（GB50018-2002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，
如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。
6 发展门式轻相结构应注意的几个问题
（1）门式刚架轻钢结构是技术相对密集的领域，从理论分析，结构设计到制作安装都需要较高的技术水平，因而应加强有关企业的管理，以提高生产效率和保证产品质量，特别是制作企业的管理，更为重要。
（7）积极开展门式刚架轻钢结构有关项目的研究工程。
7 结 语
根据我国经济建设的需，已将轻型钢结构门式刚架作为快速房屋体系课题之一。门式刚架轻钢结构不仅在商业建筑中可减少吊顶等装修造价而且时代感强，具有系列化，还能满足大跨度的要求，造价合理，综合经济效益好。

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