[分享]门式刚架设计疑问归纳

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门式刚架设计疑问归纳

转自公众号:土木吧

门式刚架设计有关问题探讨
李国胜1,2
(1铜陵市建筑工程施工图设计文件审查有限公司,铜陵244000;
2铜陵市建设工程质量监督监测有限公司,铜陵244000)           

0 引 言
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015[1](简称门刚规范)2016年8月1日开始实施,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002[2](简称门刚规程)同时作废。门刚规范在门刚规程的基础上做了较大的改动,很多设计人员由于对门刚规范没有完全掌握,对门式刚架轻型房屋钢结构(简称门式刚架)的特点没有清楚的认识,设计时存在问题较多。因此,对门式刚架设计有关问题进行探讨很有必要。
1 基本风压和基本雪压
门式刚架设计基本风压和基本雪压采用不同的重现期。
(1) 基本风压
门刚规范第4.2.1条规定:“基本风压(KN/m2),按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009[3](简称荷载规范)的规定值采用。”按荷载规范第8.1.2条,基本风压应采用50年重现期的风压。
(2) 基本雪压
门刚规范第4.3.1条规定:“基本雪压(KN/m2),按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009[3]规定的100年重现期的雪压采用。”
2  基础
2.1不能采用单根管桩基础
门式刚架由于以下原因不能采用单根管桩基础:
(1) 当钢柱底与基础短柱顶的连接为刚接时,基础将承担较大弯矩;当钢柱底与基础短柱顶的连接为铰接时,钢柱底对基础短柱顶有水平剪力,水平剪力乘以短柱顶到基础底之间的距离即为基础底面的弯矩。由于门式刚架跨度较大,在跨度方向无法设承台梁平衡基础弯矩,对于天然地基基础,需由不均匀分布的地基反力平衡基础弯矩;对于桩基基础,需由不同大小的桩基反力平衡基础弯矩;对于单桩基础,需由桩身抗弯承载力平衡基础弯矩。由于管桩抗弯承载力较小和管桩顶与承台底之间接近铰接,无法传递弯矩,因此,不能采用单根管桩基础。
(2)钢柱底对基础短柱顶有水平剪力,对于单根管桩基础,由于桩周土体较差,按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008[4](简称桩基规范)第5.7.2条第2款规定的地面处水平位移为6mm或10mm控制时的水平承载力较小,无法平衡钢柱底对基础短柱顶的水平剪力。
2.2  采用单根大直径桩时应注意的问题
(1)采用单根大直径桩时,在排架方向由于跨度大无法设承台拉梁,按文献[5]第6.6.6条第5款规定,应加高承台,加大承台在排架方向长度,原槽浇灌混凝土或对承台周边回填土按规范要求回填夯实。
(2)由于需利用桩身抗弯承载力平衡基础弯矩,因此,建议适当加大桩纵筋;当跨度很大时,应计算配置桩纵筋。
(3)当门式刚架跨度很大时,应按桩基规范第5.7.1条进行单桩水平承载力验算。
2.3  基础短柱纵筋在顶部锚固问题
当钢柱底与基础短柱顶的连接为刚接时,短柱顶承担的弯矩与钢柱底弯矩相同,短柱纵筋应相对弯入对边纵筋内侧锚固[6],锚固长度从纵筋水平弯折的起点算起不小于LabE,或者两边纵筋弯折后单面搭接焊,焊缝长度不小于10d(d为纵筋直径)。如果钢筋绑扎方便,短柱两边位置对应的钢筋在顶部为一根连续的钢筋更好。当钢柱底与基础短柱顶的连接为铰接且为两对螺栓时,也有一定的弯矩,宜参照上述执行。
2.4  基础短柱较长时设计应注意的问题
基础短柱较长时,应按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011[7](简称地基规范)第8.2.5条,将基础短柱设计成高杯口,从而可以忽略基础短柱顶端的水平位移,否则,应考虑钢柱底作用在基础短柱顶的水平剪力引起短柱的水平位移(即钢柱底的水平位移)。门式刚架在竖向荷载作用下,钢柱底向外侧的水平位移将导致钢梁跨中弯矩增大。对于原料厂房或成品库厂房,周边可能有挡土墙(中间也可能有分隔墙),如果基础短柱与挡土墙连为一体,基础短柱在钢柱底水平剪力及挡土墙水平推力作用下水平位移更大,此时挡土墙与基础短柱宜设缝脱开,或在平面上与短柱前后错开位置。
2.5  基础短柱截面最小尺寸
(1)基础短柱截面最小尺寸应满足地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离和钢柱底板边缘至基础短柱边缘的最小距离。
1)地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离,按文献[8],不应小于5dd为螺栓直径),且不小于150mm;按标准图集[9]“总说明”第5.9条规定,不应小于4d,且不应小于150mm(d≤20mm时不小于100mm),并不小于锚板宽度的1/2加50mm。后者要求比前者松些,下面分析应以哪个为准。
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[10](简称混凝土规范)第8.3.1条第3款规定,当锚固钢筋外边缘到混凝土外边缘距离(保护层厚度)不大于5d时,锚固长度范围内应配置横向构造钢筋;《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013[11]第7.2.3条规定,植筋与混凝土边缘距离不宜小于5d,且不宜小于100mm,当植筋与混凝土边缘之间有垂直于植筋方向的横向钢筋时,间距可适当减小,但不应小于50mm;后锚固规程第7.1.2条对锚栓最小边距也就做了规定。混凝土规范第8.3.1条、后锚固规程第7.2.3条和第7.1.2条条文说明均给出解释,之所以这样规定是为了防止混凝土边缘的劈裂破坏,当锚固钢筋(植筋)与混凝土边缘之间有垂直于锚固钢筋(植筋)方向的横向钢筋时,钢筋与混凝土边缘距离可适当减小。地脚螺栓的受力与锚固钢筋(植筋)的受力相似,由于地脚锚栓一般锚固在基础短柱中,周边有箍筋约束,地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离可在5d基础上适当减小;当地脚螺栓直接锚固在单桩承台或两桩承台中时,距离承台边缘最近的地脚螺栓与承台边缘之间也有箍筋,和地脚锚栓锚固在基础短柱情况相同;当地脚螺栓直接锚固在三桩及以上承台或独立基础中时,地脚螺栓至承台(基础)边缘的距离远远大于5d。因此,地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离可以以标准图集[9]“总说明”第5.9条规定为准,即地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离不应小于4d,且不应小于150(d≤20mm时不小于100mm),并不小于锚板宽度的1/2加50mm。
2)钢柱底板边缘至基础短柱边缘的最小距离为100mm[8]
(2)笔者认为,地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离不是受力要求,而是考虑到施工误差的构造要求;钢柱底板边缘至基础短柱边缘的最小距离既是考虑到施工误差的构造要求,也是基础短柱的局部承压要求。因此,当由于施工误差造成地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离小于4d和150mm(d≤20mm时小于100mm),但不小于锚板宽度的1/2加25mm时,一般不需处理;但当地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离小于锚板宽度的1/2加25mm时,锚板混凝土保护层厚度不足,需要处理;当由于施工误差造成钢柱底板边缘至基础短柱边缘的距离小于100mm时,如果经过验算基础短柱的局部承压满足要求,也不需处理。
3 门刚规范第3.1.4条、第3.4.3条及第6.2.4条的执行问题
(1) 规范规定
   1)门刚规范第3.1.4条规定:“当抗震设防烈度7度(0.15g)及以上时,应进行地震作用组合的效应验算。”
2)门刚规范第6.2.4条规定:“当采用砌体墙做围护墙时,砌体墙的质量应沿高度分配到不少于两个质量集中点作为钢柱的附加质量,参与刚架横向的水平地震作用计算。”
3)门刚规范第3.4.3条规定:“当地震作用组合的效应控制结构设计时,门式刚架轻质房屋钢结构的抗震构造措施应符合下列规定:(限于篇幅,第1款~第4款的具体内容从略)。”
(2)门刚规范第3.1.4条、第3.4.3条及第6.2.4条之间的关系
门刚规范之所以做出第3.1.4条规定,条文说明给出了解释:“由于单层门式刚架轻质房屋钢结构的自重小,设计经验和振动台试验表明,当抗震设防烈度为7度(0.10g)及以下时,一般不需做抗震验算;当为7度(0.15g)及以上时,横向刚架和纵向框架均需进行抗震验算。当设有夹层时或有与门式刚架相连接的附属房屋时,应进行抗震验算。”由此可以看出,该条规定是指“单层门式刚架轻质房屋钢结构”,按照门刚规范第2.1.1条,“门式刚架轻质房屋”是指“承重结构采用变截面或等截面实腹刚架,围护系统采用轻型钢屋面和轻型外墙的单层房屋”,围护墙必须是“轻型外墙”。而门刚规范第6.2.4条规定中“采用砌体墙做围护墙”已经不属于“单层门式刚架轻质房屋钢结构”了。因此,门刚规范第3.1.4条规定不包括门刚规范第6.2.4条规定,也就是说门刚规范第3.1.4条和第6.2.4条是各自独立的两条规定,当采用砌体墙做围护墙时,应按抗震规范进行地震作用计算。当抗震设防烈度7度(0.15g)及以上的门式刚架按门刚规范第3.1.4条进行地震作用计算和采用砌体墙做围护墙的门式刚架按抗震规范进行地震作用计算,且地震作用组合的效应控制结构设计时,抗震构造措施就应该满足门刚规范第3.4.3条第1款~第4款的规定。
(3)门刚规范第3.4.3条“地震作用组合的效应控制结构设计”的判断方法
文献[12]第17页认为,判断是否为“地震作用组合的效应控制结构设计”,可以单独在计算书中查看风荷载和地震作用下的内力图以及相应的侧向位移图,如果地震工况下大,可判断为“地震作用组合的效应控制结构设计”。笔者认为这种判断方法是错误的,因为风荷载参与的基本组合效应设计值计算公式(见门刚规范第4.5.2条)与地震荷载参与组合的基本组合效应设计值计算公式(见门刚规范第4.5.4条)不同,风荷载参与的承载力验算公式(见门刚规范第3.1.3条)与地震荷载参与组合的承载力计算公式(见门刚规范第3.1.4条式)也不同。正确的方法是,分别进行地震参与计算和地震不参与计算,然后查看“钢结构应力比图”,如果地震参与计算的钢结构应力比地震不参与计算的钢结构应力比大,则“地震作用组合的效应控制结构设计”。
4   檩条设计恒载取值问题
  很多设计人员认为檩条设计时恒载取值越大越安全,在不确定房屋是否有吊顶或悬挂管道时,就人为加大恒载进行檩条设计。下面分析这种做法是否安全。
檩条设计有两种荷载组合:第1种荷载组合(向下):p1=1.2恒载+1.4(活载+0.6风载(压力)+0.9积灰);第2种荷载组合(向上):p2=1.0恒载+1.4风载(吸力)。
由于第1种荷载组合和第2种荷载组合中“风载”分别为“压力”和“吸力”,从门刚规范第4.2.2条第4~7款可以看出,“压力”风荷载系数绝对值均比“吸力”风荷载系数绝对值小,且第1种荷载组合中风荷载尚有0.6的组合系数,因此,当风荷载相对于恒载较小时,第1种荷载组合值p1绝对值大,当风荷载相对于恒载较大时,第2种荷载组合值p2绝对值大。
由于檩条强度计算公式中的分子是弯矩,与荷载有关;分母有梁的整体稳定系数,与上、下翼缘支承情况有关(当不需做整体稳定计算时,整体稳定系数为1.0),因此,檩条设计(确定截面尺寸)不仅与荷载大小有关,还与上、下翼缘支承(约束)情况有关,檩条荷载组合值绝对值大的组合不一定是设计控制组合。
当檩条上、下翼缘约束情况一样,即上、下翼缘都有压型钢板通过螺钉连接,或上、下翼缘均只设拉条时,檩条设计控制组合就是荷载组合值绝对值大的组合,也就是说,当第1种荷载组合值p1的绝对值大时,檩条设计由第1种荷载组合控制;当第2种荷载组合值p2的绝对值大时,由第2种荷载组合控制。
当檩条上、下翼缘约束情况不一样,上翼缘有屋面压型钢板采用螺钉连接,但下翼缘无压型钢板连接,或上、下翼缘均无压型钢板采用螺钉连接,但设置了上层拉条,未设下层拉条时,如果是第2种荷载组合值p2的绝对值大,则明显由第2种荷载组合控制;如果是第1种荷载组合值p1的绝对值大,则未必是第1种荷载组合控制。原因如下:当上翼缘有屋面压型钢板板采用螺钉连接,但下翼缘无压型钢板连接时,按第1种荷载组合计算,上翼缘受压,不需进行整体稳定计算,而按第2种荷载组合计算,下翼缘受压,需进行整体稳定计算,因此,檩条设计可能由第2种荷载组合控制;当上、下翼缘均无压型钢板采用螺钉连接,但设置了上层拉条,未设下层拉条时,虽然两种荷载组合均需进行整体稳定计算,但第1种荷载组合计算的整体稳定系数比第2种荷载组合计算的整体稳定系数大,因此,檩条设计可能由第2种荷载组合控制。
当檩条设计由第2种荷载组合控制时,如恒载取值比实际取值大,将导致第2种荷载组合值绝对值变小,计算需要的檩条截面也变小,偏于不安全。只有当恒载取值比实际恒载大得很多,导致第1种荷载组合值p1的绝对值比第2种荷载组合值p2的绝对值大的也很多,以至于檩条设计由第2种荷载组合控制变成由第1种荷载组合控制,且计算出的檩条截面不小于第2种荷载组合按实际恒载计算出的檩条截面时,才安全。
综上所述,檩条设计时,恒载应按实际取值,不应人为加大,否则有可能偏于不安全。
6 屋面活荷载与雪荷载问题
按门刚规范第4.5.1条第1款规定:“屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑,应取两者中的较大值”。
(1)屋面均布活荷载
门刚规范第4.1.3条规定,屋面均布活荷载标准值为0.5KN/m2,对承受荷载水平投影面积大于60m2的刚架构件可取不小于0.3KN/m2
(2)屋面雪荷载
1)对于单坡屋面、单跨双坡屋面、双跨双坡屋面及多跨屋面,门刚规范第4.3.1条规定,屋面雪荷载标准值Sk=μrS0,其中S0为100年重现期的基本雪压,KN/m2;μr为屋面积雪分布系数,按门刚规范第4.3.2条取值。
2)对于高低屋面及相邻房屋屋面有高差时(包括屋面有长度大于4.5m的突出物,如女儿墙),较低屋面应按门刚规范第4.3.3条计算雪堆积和漂移。
(3)设计时如何考虑雪荷载
1)对于屋面板及檩条,门刚规范第4.3.5条第1款规定:“屋面板及檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用”。因此,屋面板及檩条应考虑门刚规范第4.3.1条和第4.3.2条,即应按门刚规范“表4.3.2”中“不均匀分布情况”中“最不利”者考虑;同时还应考虑门刚规范第4.3.3条的雪堆积和漂移。文献[13]明确指出,雪堆积和漂移用于屋面板及檩条计算。
2)对于钢梁(即刚架斜梁),门刚规范第4.3.5条第2款规定:“刚架斜梁按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布,按最不利情况采用”。也就是说,钢梁设计应考虑刚规范第4.3.1条和第4.3.2条,即应按门刚规范“表4.3.2”中“均匀分布情况”、“不均匀分布情况”和半跨积雪的“均匀分布情况”中“最不利”者考虑。至于门刚规范第4.3.5条第2款中“不均匀分布”是否还包括门刚规范第4.3.3条的雪堆积和漂移,是个有争议的问题,文献[13]认为雪堆积和漂移用于屋面板及檩条计算,不用于钢梁设计。但荷载规范第7.2.1条,不像门刚规范将雪堆积和漂移单独作为一条条文列出,而是与单坡屋面、双坡屋面等的屋面积雪分布系数放在同一条条文里和同一个表里,因此,按荷载规范第7.2.1规定,钢梁考虑全跨积雪的不均匀分布自然包括雪堆积和漂移。
笔者认为,当高、低屋面沿跨度方向分布,且跨度较大时,低跨靠近高跨端部雪堆积长度与钢梁跨度之比较小,雪堆积荷载对结构影响也较小,钢梁计算不考虑雪堆积问题不大;当高、低屋面沿开间方向分布时,低屋面靠近高屋面端部的雪堆积长度与钢梁受荷宽度(开间)比较起来较大,雪堆积荷载对钢梁内力影响也较大,如果钢梁不考虑雪堆积将存在较大安全隐患。并且建议,任何情况下都宜考虑雪堆积对钢梁的影响。举例说明如下:
例1:某房屋为两跨,跨度分别为18米和24米,高度分别为15米和10米,24米跨的钢梁靠近18米跨端部有雪堆积,由于雪堆积长度与跨度24米比较起来较小,雪堆积荷载对钢梁内力影响也较小,此时钢梁不考虑雪堆积问题不大。当然,如果考虑,更安全。
例2:某房屋为一跨,24米,开间为7米,共10个开间,第1开间至第5开间高度为8米,第6开间至第10开间高度为12米,第5开间靠近第6开间端部有雪堆积,由于雪堆积长度与钢梁受荷宽度7米比较起来较大,雪堆积荷载对钢梁内力影响也较大,此时如果钢梁不考虑雪堆积,将存在较大安全隐患。
6  围护墙与温度区段长度限值
(1) 门刚结构采用墙板做围护墙
门刚结构采用墙板做围护墙时,按门刚规范第5.2.4条规定,纵向温度区段长度不宜大于300m;横向温度区段长度不宜大于150m,当横向温度区段长度大于150m时,应考虑温度的影响;当有可靠依据时,温度区段长度可适当加大。
(2)门刚结构采用砌体墙做围护墙
门刚结构采用砌体墙做围护墙时,按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[14](简称抗规)第13.3.6条第2款,砌体围护墙应采用外贴式并与钢柱拉结;温度区段长度按《砌体结构设计规范》GB50003-2011[15](简称砌体规范)第6.5.1条,不大于100m。
(3)上部为墙板围护墙下部为砌体窗台墙
当上部为墙板围护墙,下部为砌体窗台墙(一般为1.20米高)时,原则上窗台墙长度按砌体规范第6.5.1条,不宜大于100米;当长度大于100米时,可利用门洞切断,或在窗边设竖向缝,竖向缝可参照砌体规范第6.5.7条处理:“缝宽不宜小于25mm,缝内填以压缩性能好的填充材料,且外部用密封材料密封,并采用不吸水的闭孔发泡聚乙烯实心圆棒(背衬)作为密封膏的隔离物。”具体做法见砌体规范第6.5.7条的“图6.5.7”。对于窗台墙下基础梁应设后浇带,减小混凝土硬化过程中的收缩应力,避免出现收缩裂缝。
(4)钢筋混凝土柱轻钢屋面房屋
1)当采用钢筋混凝土柱轻钢屋面房屋且纵向形成框架时,砌体围护墙可采用外贴式,也可采用嵌砌式(填充墙),砌体墙与钢筋混凝土柱(框架柱)拉结;温度区段长度按混凝土规范第8.1.1条,不大于55m,当按照混凝土规范第8.1.3条,采取减小混凝土收缩或温度变化的措施(如设后浇带)时,温度区段长度可适当增大[6]
2)当纵向未形成框架结构时,按抗规第13.3.5条第1款,砌体围护墙应采用外贴式并与柱可靠拉结,不得采用嵌砌式;温度区段长度按混凝土规范第8.1.1条,不大于100m。
7   山墙结构形式
(1)山墙采用墙架或门式刚架
门刚规范第5.2.8条规定,山墙可设置由斜梁、抗风柱、墙梁及其支撑组成的山墙墙架,或采用门式刚架,分别见标准图集[16]第19页“5.2.8图示1”和“5.2.8图示2”。
(2)山墙采用钢筋混凝土结构
对于钢筋混凝土柱轻钢屋面房屋,当纵向形成框架时,山墙也可采用框架,但不宜采用山墙钢梁直接搁置在山墙框架梁上的做法,而应采用山墙框架直接承重,此时属于框排架结构,宜采用空间结构分析[6]。需注意的是,由于山墙框架屋面梁竖向位移(挠度)很小,而相邻开间的钢梁竖向位移(挠度)较大,导致屋面向相邻开间倾斜,影响美观,甚至引起屋面漏水。因此,建议设计时适当降低山墙框架屋面梁顶标高。具体方法是,先计算出相邻开间钢梁在屋面板、檩条、拉条及钢梁自重作用下的竖向位移(挠度)s,然后将山墙框架屋面梁顶标高降低s。这样在正常情况下,屋面基本不倾斜,只有在承受雪荷载或活荷载时才倾斜,但倾斜度已经大大减小。
当纵向为钢筋混凝土柱但未形成框架时,山墙不宜采用框架结构承重,而应采用位于钢梁外侧的钢筋混凝土抗风柱,与钢梁侧面采用弹簧板(水平向能传递水平力竖向能自由变形)连接,位置与刚性系杆对齐,抗风柱在风荷载作用下的水平力直接传给刚性系杆,避免钢梁受扭。
8  钢结构抗风柱与钢梁连接
钢结构抗风柱与钢梁连接一般有五中连接方式(图1):
(1)抗风柱与钢梁下翼缘采用固定连接(图1(a))。这是门刚规范第7.2.1条推荐的连接方式。该连接方式的优点是抗风柱可作为钢梁中间竖向铰支座,减小钢梁截面。该连接方式的缺点是,抗风柱在风荷载作用下的水平力传给钢梁下翼缘,加劲肋相当于杠杆,刚性系杆为不动铰支座,檩条受拉,檩条拉力对钢梁产生扭矩;屋面向相邻开间钢梁倾斜,影响美观,甚至引起屋面漏水。
门式刚架设计疑问归纳_1
图1  钢结构抗风柱与山墙钢梁连接大样

(2)抗风柱与钢梁下翼缘采用弹簧板连接(图1(b))。该连接方式的优点是连接方便、简单,钢梁竖向可自由变形。该连接方式的缺点是,由于抗风柱不能作为钢梁竖向支承点,钢梁高度较大,抗风柱在风荷载作用下的水平力传给钢梁下翼缘,钢梁承受的扭矩也较大,钢梁截面应适当留有富余作为弥补;当钢梁高度很大时不宜采用,如采用,应采取有效措施减小或避免钢梁受扭。
(3)抗风柱与钢梁下翼缘采用竖向长圆孔螺栓连接(图1(c))。该连接方式的优、缺点与抗风柱与钢梁下翼缘采用弹簧板连接(图1(b))基本相同。由于抗风柱与钢梁底之间的连接板有一定高度,因此,抗风柱在风荷载作用下的水平力传给钢梁下翼缘引起的扭矩更大。
(4)抗风柱与钢梁侧面采用弹簧板连接(图1(d))。该连接方式的优点是,抗风柱在风荷载作用下的水平力作用在刚性系杆对应位置,由刚性系杆直接承担,不会引起钢梁受扭;钢梁竖向能自由变形。该连接方式的缺点是,抗风柱必须位于钢梁外侧,且构造较复杂。
(5)抗风柱与钢梁侧面通过短钢柱及弹簧板连接(图1(e))。该连接方式的优点是,抗风柱在风荷载作用下的水平力作用在钢梁上的位置靠近刚性系杆,引起钢梁的扭矩很小,可忽略不计;钢梁竖向能自由变形;抗风柱可以布置在钢梁下方。该连接方式的缺点是构造较复杂。
9  主刚架的钢柱和钢梁平面外计算长度取值
(1) 钢柱平面外计算长度
门刚规范第7.1.5条规定,钢柱平面外计算长度L取纵向柱间支撑点间的距离。对于直接与柱间支撑相连的钢柱,L取纵向柱间支撑点间的距离;对于其他钢柱,只有在柱间支撑节点标高处设置通长刚性系杆时,L才能取纵向柱间支撑点间的距离,否则取全高。所以,当钢柱较高时,为节约造价,应在柱间支撑节点标高处设通长系杆。需注意的是,刚性系杆一般通过连接板与钢柱加劲肋连接,位置在腹板高度中点处,如果采用两个距离较近的普通螺栓连接(铰接),对钢柱受压翼缘的约束能力太小,且钢梁腹板高度越大,约束能力越小,因此,必须采用高强螺栓连接,且适当加大两个高强螺栓之间的距离(笔者这一观点得到童根树老师的赞同)。当沿柱高设隅撑时,虽然隅撑和墙梁组合起来对于钢柱平面外有实际的支撑效果,但规范没有给出带隅撑柱的具体计算公式。笔者曾就如何考虑该问题咨询童根树老师,他回答说,由于钢柱影响因素较多,到目前为止,还没有总结出钢柱平面稳定考虑隅撑作用的计算公式。
(2) 钢梁平面外计算长度
   由于门刚规范第7.2.2条规定,山墙钢梁除门刚规范第7.2.3条规定的抗风柱位置外,不宜设隅撑,因此,设计时山墙钢梁不布置隅撑,其他开间钢梁布置隅撑。按门刚规范第7.1.4条及条文说明,山墙钢梁平面外计算长度L取侧向支撑(即横向支撑,或者叫水平支撑)间的距离;当端部横向支撑设在第二开间时,第一开间抗风柱顶部及屋脊对应位置设刚性系杆,此时L取刚性系杆之间的距离。与钢柱设刚性系杆减小平面外计算长度情况一样,刚性系杆与钢梁加劲肋之间也必须采用高强螺栓连接,且适当加大两个高强螺栓之间的距离。由于刚性系杆一般只在屋脊和柱顶处通长设置,因此,山墙以外的其他开间钢梁下翼缘(受压)平面外的稳定性,应由隅撑保证,按门刚规范第7.1.6条第4款,当隅撑满足一定条件时,下翼缘受压的钢梁平面外计算长度可考虑隅撑的作用。需注意的是,这里的“可考虑隅撑的作用”并不是说钢梁平面外计算长度可以取隅撑间距。门刚规范第7.1.6条条文说明指出:“隅撑不能作为梁的固定的侧向支撑。根据理论分析,隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距,梁下翼缘面积越大,则隅撑作用相对越弱,计算长度就越大。”利用程序计算时,只需输入隅撑信息,由程序自动计算钢梁平面外计算长度。例如,采用PKPM程序计算时,只需勾选“梁平面外支撑为隅撑”,然后输入隅撑信息,程序即可自动完成钢梁平面外计算长度的计算。
10  小结
(1)门式刚架由于自重轻,对风荷载和雪荷载很敏感,因此,设计时风荷载和雪荷载取值应务必准确,计算方法应务必正确。
(2)基础设计不能采用单根管桩基础,但可采用单根大直径桩,当跨度很大时,应进行单桩水平承载力验算;钢柱脚刚接时,基础短柱顶纵筋应相对弯入对边纵筋内侧锚固,或者两边纵筋弯折后搭接单面焊10d,最好的做法是短柱两边位置对应的钢筋在顶部为一根连续的钢筋;基础短柱较长时,应考虑短柱顶在钢柱传来的水平力作用下产生的水平位移的影响;地脚螺栓至基础短柱边缘的最小距离和钢柱底板边缘至基础短柱边缘的最小距离应满足一定要求。
(3)当抗震设防烈度7度(0.15g)及以上时,应进行地震作用组合的效应验算;当采用砌体墙做围护墙时,无论抗震设防烈度是否为7度(0.15g)及以上,砌体墙的质量均应沿高度分配到不少于两个质量集中点作为钢柱的附加质量,参与刚架横向的水平地震作用计算;当地震作用组合的效应控制结构设计时,抗震构造措施应满足门刚规范第3.4.3条的规定。
(4)檩条设计时,恒载应按实际取值,不应人为加大,否则有可能偏于不安全。
(5)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑,应取两者中的较大值。当雪荷载大于活荷载时,对于屋面板及檩条,不仅应按积雪不均匀分布的最不利情况采用,还应考虑雪堆积和漂移荷载;对于钢梁,按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布的最不利情况采用,当高、低屋面沿开间方向分布时,应考虑雪堆积荷载。
(6)当作为围护墙的材料不同时(墙板、砌体墙),围护墙及温度区段长度限值不同;当纵向为钢筋混凝土框架时,长度不宜大于55米,只有采取减小混凝土收缩或温度变化的措施时,才可适当加大。
(7)山墙结构形式可采用墙架或门式刚架;当纵向为钢筋混凝土框架时,山墙也可采用钢筋混凝土框架,为减小和相邻开间的竖向变形差,可降低山墙框架屋面梁顶标高;当纵向为钢筋混凝土柱但未形成框架时,山墙宜采用位于钢梁外侧的钢筋混凝土抗风柱,与钢梁侧面采用弹簧板连接。
(8)钢结构抗风柱与钢梁连接一般有五种方式:抗风柱与钢梁下翼缘采用固定连接;抗风柱与钢梁下翼缘采用弹簧板连接;抗风柱与钢梁下翼缘采用竖向长圆孔螺栓连接;抗风柱与钢梁侧面采用弹簧板连接;抗风柱与钢梁侧面通过短钢柱及弹簧板连接。第二种、第三种连接方法不宜采用,当钢梁较高、风荷载较大时不应采用。
(9)对于主刚架的钢柱,柱间支撑点及在柱间支撑点标高处设置的通长刚性系杆能作为钢柱平面外的支承点,而隅撑不能作为钢柱平面外的支承点;对于主刚架的钢梁,横向支撑(水平支撑)点及与横向支撑(水平支撑)点相连的刚性系杆可作为钢梁平面外的支承点;当钢梁设置了隅撑且隅撑满足一定要求时,钢梁平面外计算长度可考虑隅撑的作用,但不是钢梁平面外计算长度取隅撑间距。

参考文献
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准设计 研 究 院. 全国民用建筑工程设计技术措施
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 发表于2020-07-29   |  只看该作者      

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