農(nóng)村6萬(wàn)元一層小別墅圖 [淺談門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)]

　　門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是房屋建筑結(jié)構(gòu)的一種。在現(xiàn)代城市建筑中，得到了較為廣泛的運(yùn)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的重要結(jié)構(gòu)類(lèi)型。文章將從門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行探討，包括門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的特點(diǎn)、形式、設(shè)計(jì)方法等。
　　
　　隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑的結(jié)構(gòu)和形式也開(kāi)始朝多樣化發(fā)展，無(wú)論是審美還是使用功能都有了很大的飛躍。而多門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)作為輕型鋼架結(jié)構(gòu)中的一種，在現(xiàn)代建筑行業(yè)得到了很大的發(fā)展。在門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)方面，也有了很高的要求。這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程的實(shí)際情況，充分掌握門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、適用范圍、結(jié)構(gòu)形式等，同時(shí)，還需要對(duì)門(mén)式剛架的塑性設(shè)計(jì)與計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和支撐布置等方面的知識(shí)有充分的了解。
　　1.剛架特點(diǎn)
　　剛架結(jié)構(gòu)是梁柱單元構(gòu)件的組合體，形式種類(lèi)多樣。根據(jù)不同的建筑，又有不同的使用范疇。一般而言，單跨、雙跨或多跨的單、雙坡門(mén)式剛架，在單層工業(yè)與民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用較多。
　　單跨、雙跨門(mén)式剛架的斜梁和柱常為剛接，而柱的底部多數(shù)為鉸接。在工程需要的情況下，在多跨剛架中間柱與斜梁的連接部，可以考慮采用鉸接。而多跨剛架，通常需要采用雙坡或單坡屋蓋，如果工程有需要，也可采用由多個(gè)雙坡單跨相連的多跨剛架形式。
　　與屋架結(jié)構(gòu)相比，門(mén)式剛架的整個(gè)構(gòu)件的截面尺寸較小，這樣就方便我們更好、更有效地利用建筑空間，不僅能夠有效的降低房屋的高度，也可以有效的減小建筑體積，同時(shí)也對(duì)建筑造型起到美觀作用。
　　一般的門(mén)式剛架用于跨度為9~36m、柱距為6m、柱高為4．5~9m，而且設(shè)有起重量較小的懸掛吊車(chē)的單層工業(yè)房屋，或者公共建筑。需要架設(shè)橋式吊車(chē)時(shí)，其起重量控制在20t以內(nèi)，屬于A1～A5中、輕級(jí)工作制吊車(chē)；而在設(shè)置懸掛吊車(chē)時(shí)，起重量控制在3t以內(nèi)。
　　2.結(jié)構(gòu)形式
　　從類(lèi)型上看，門(mén)式剛架的結(jié)構(gòu)形式有很多種。按構(gòu)件體系分，有實(shí)腹式與格構(gòu)式；按橫截面形式分，有等截面與變截面；按結(jié)構(gòu)選材分，有普通型鋼、薄壁型鋼、鋼管或鋼板焊成。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)腹式剛架的橫截面是工字形，當(dāng)然，也有少數(shù)是z形；而一般而言，格構(gòu)式剛架的橫截面是矩形或者三角形。
　　2.1建筑尺寸
　　通常情況下門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)該滿足下列規(guī)定：1）門(mén)式剛架的跨度取值標(biāo)準(zhǔn)為，橫向剛架柱軸線間的距離。2）門(mén)式剛架的高度的取值標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是地坪至柱軸線與斜梁軸線交點(diǎn)的高度。當(dāng)然，具體的高度需要安裝使用要求的內(nèi)凈高確定。3）在柱的軸線選擇上，一般可以通過(guò)柱下端中心的豎向軸線。如果是工業(yè)建筑邊柱的定位軸線，則應(yīng)該考慮取柱外皮。斜梁的軸線可取通過(guò)變截面梁段最小端中心與斜梁上表面平行的軸線。4）門(mén)式剛架輕型房屋的檐口高度，應(yīng)該按照地坪至房屋外側(cè)檁條上緣的高度來(lái)取定。其最大高度，一般由地坪至屋蓋頂部檁條上緣的高度決定，而房屋側(cè)墻墻梁外皮之間的距離，則為寬度應(yīng)取的距離，長(zhǎng)度則按照兩端山墻墻梁外皮之間的距離作為標(biāo)準(zhǔn)取值。
　　通常來(lái)說(shuō)，門(mén)式剛架的跨度應(yīng)該為9~36m，如果邊柱的寬度不等，那就需要把外側(cè)對(duì)齊。而一般的高度應(yīng)該在4．5~9．0m之間，如果有橋式吊車(chē)時(shí)，就不能超過(guò)12m。間距，也就是柱網(wǎng)軸線在縱向的距離一般要采用6~9m。挑檐長(zhǎng)度可根據(jù)使用要求確定，但是通常是在為0．5~1．2m之間取值，其上翼緣坡度宜與斜梁坡度相同。
　　2.2結(jié)構(gòu)平面布置
　　（1）門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長(zhǎng)度必須要滿足這兩個(gè)規(guī)定：1）縱向溫度區(qū)段不大于300m；2）橫向溫度區(qū)段不大于150m。當(dāng)然，這只是參照值，如果有計(jì)算依據(jù)和需要時(shí)，溫度區(qū)段長(zhǎng)度可根據(jù)工程的實(shí)際需要適當(dāng)加大。
　�。�2）在多跨剛架局部抽掉中間柱，或者邊柱處需要考慮布置托架梁。
　　（3）屋面檁條的布置應(yīng)考慮天窗、屋面材料、采光帶、通風(fēng)屋脊、檁條供貨規(guī)格等因素的影響，屋面壓型鋼板厚度和檁條間距應(yīng)按計(jì)算確定。
　�。�4）山墻可設(shè)置由抗風(fēng)柱、斜梁、墻梁及其支撐組成的山墻墻架，或采用門(mén)式剛架。
　　3.門(mén)式剛架的塑性設(shè)計(jì)與計(jì)算
　　3.1門(mén)式剛架荷載
　　門(mén)式剛架的荷載一般有三類(lèi)：一是屋面結(jié)構(gòu)等的自重，即永久荷載；二是屋面活荷載和雪荷載中的較大者；三是風(fēng)荷載。在一般的彈性設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)各類(lèi)荷載單獨(dú)計(jì)算剛架中的內(nèi)力，最后再有目的的對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力組合，求出最不利的內(nèi)力設(shè)計(jì)值。而在塑性設(shè)計(jì)中，找到結(jié)構(gòu)中形成機(jī)構(gòu)的塑性鉸位置，進(jìn)而求得構(gòu)件截面的塑性彎矩M，是機(jī)構(gòu)分析的目的。當(dāng)然，在實(shí)際的計(jì)算中，避免對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行疊加，而是要首先進(jìn)行荷載組合，然后才能進(jìn)一步對(duì)每種組合進(jìn)行內(nèi)力分析。
　　因?yàn)槲菝娌糠诛L(fēng)荷載的體型系數(shù)是負(fù)值，風(fēng)力為吸力，其方向是與屋面活荷載或雪荷載相反的，所以，在進(jìn)行無(wú)吊車(chē)荷載的門(mén)式剛架設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的荷載基本組合為兩個(gè)：1）永久荷載+屋面活荷載（或雪荷載）；2）永久荷載+屋面活荷載（或雪荷載）+風(fēng)荷載。要特別強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于“永久荷載+風(fēng)荷載”，通常情況下不需要進(jìn)行控制組合，只有當(dāng)風(fēng)荷載特別大，而且可能產(chǎn)生內(nèi)力變號(hào)的情況下，才有必要進(jìn)行考慮。
　　3.2門(mén)式剛架的機(jī)構(gòu)分析
　　利用簡(jiǎn)單塑性理論進(jìn)行剛架內(nèi)力分析的方法很多，本文只介紹較為常用的靜力法。所謂的靜力法，指的是通過(guò)求解靜力平衡方程，來(lái)確定塑性鉸位置和塑性彎矩的方法。具體的步驟是：1）為了形成靜定結(jié)構(gòu)，應(yīng)該去除構(gòu)件中的超靜定贅余反力，然后繪制荷載作用下此靜定結(jié)構(gòu)的彎矩圖。2）把贅余反力作用在靜定剛架上，然后在根據(jù)具體要求畫(huà)出由贅余反力產(chǎn)生的彎矩圖。3）把前面的兩彎矩圖疊加，求得成機(jī)構(gòu)的塑性鉸位置，求得截面的最大全塑性彎矩MP。按照唯一性原理，塑性分析的唯一結(jié)果，也就是在破壞情況下的彎矩分配必須要同時(shí)符合平衡、機(jī)構(gòu)、屈服這3個(gè)條件。
　　根據(jù)上述靜力法的分析，一定可以使得平衡條件和機(jī)構(gòu)條件得到滿足，當(dāng)然，如果找錯(cuò)了塑性鉸位置，那就很有可能在所確定的塑性鉸位置以外的其他截面上產(chǎn)生大于MP的彎矩，此時(shí)，也就完成背離了屈服條件。所以，求得MP后，還需要進(jìn)行檢查，確保構(gòu)件的任何一個(gè)截面的彎矩的絕對(duì)值不超過(guò)MP。
　　3.3門(mén)式剛架的截面設(shè)計(jì)
　　一般來(lái)說(shuō)，在完成通過(guò)內(nèi)力分析確定截面的塑性彎矩MP后，就可以接著進(jìn)行截面的初選。盡管門(mén)式剛架的柱子和斜梁都是壓彎構(gòu)件，但是，根據(jù)相關(guān)的原理，我們?cè)谶M(jìn)行截面的初選時(shí)，仍然可以將它們各看做受彎構(gòu)件，也就是要忽略軸力的影響。而對(duì)于純彎構(gòu)件，在荷載使梁處于全塑性工作階段的背景下，截面上的應(yīng)力圖形為兩塊矩形，形成塑性鉸，截面上的彎矩為全塑性彎矩，簡(jiǎn)稱(chēng)塑性彎矩，記為 （式中： 為塑性截面模量， 為截面形狀系數(shù)，Wｐ為彈性截面模量，對(duì)工字形截面 =1.10~1.17，隨截面尺寸不同而變化）。引入荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)后，得： 。由此可求得所需構(gòu)件截面的彈性截面模量： ，由 即可初選構(gòu)件的截面。
　　4.結(jié)語(yǔ)
　　總之，門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的體系，在設(shè)計(jì)中需要顧及很多方面的內(nèi)容，需要按照各種原理進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員只有對(duì)門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、分類(lèi)，以及使用范圍，才能更好的在設(shè)計(jì)中發(fā)揮出門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 邱冬瑞. 門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及程序開(kāi)發(fā)[D]. 北京工業(yè)大學(xué)，2008.
　　[2] 褚云朋. 門(mén)式剛架加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究與有限元分析[D]. 蘭州理工大學(xué)，2007.
　　（作者單位：廣西華桂建筑安裝工程有限責(zé)任公司廣西百色531400）

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