门式钢架常见设计问题

中国建筑标准设计研究院张运田教授级高工门式刚架常见问题及其改进措施3.1基本设计规定常见问题3.1.6钢柱脚未采用混凝土包裹防护改进措施原因分析：许多事例表明地面以下的钢柱脚若不用混凝土包裹,柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患，因此《钢结构规范》GB50017对地面以下的钢柱脚用混凝土进行包裹列为强制性条文。改进措施：应按《钢结构规范》第8.9.3条（强制性条文）规定，对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚高出地面的高度不应小于100mm。3.1基本设计规定常见问题3.1.7在房屋的温度区段内，未设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。改进措施结构布置时，在温度区段内应使结构成为能保持空间稳定的独立体系，按《门式刚架规程》CECS102第4.5.1条第1款设置支撑体系。3.2支撑体系常见问题3.2.1屋面横向水平支撑与柱间支撑未布置在同一跨间内。改进措施原因分析：布置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.1条第2款和第4.5.2条第1款的规定，宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间，在布置柱间支撑的开间，宜同时布置屋面横向水平支撑，如图3.2.1所示。当无法布置在同一跨间时，可布置在相邻跨间，有一定搭接区，但这种情况在温度区段内只能是个别的，否则应对整个支撑系统重新合理布置。图3.2.1门式刚架支撑布置示意图图3.2.1门式刚架支撑布置示意图3.2支撑体系常见问题3.2.2屋面横向水平支撑布置在房屋温度区段端部第二开间，而在第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置未布置纵向刚性系杆。改进措施原因分析：房屋端墙(山墙)的风荷载或地震作用要靠屋面横向水平支撑传递给房屋纵向柱间支撑。屋面横向水平支撑布置在第二开间时，第一开间仅布置未按压弯杆件验算和加强的檩条，不足以传递端墙的风荷载或地震作用。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.2条第1款的规定，在房屋温度区段的第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置满足受压杆件长细比要求和受压（压弯）杆件承载力要求的刚性系杆。如图3.2.2所示。图3.2.2门式刚架端开间屋面刚性系杆布置示意图3.2支撑体系常见问题3.2.3屋面横向水平支撑的竖腹杆未按刚性压杆设计。改进措施原因分析：屋面横向水平支撑的计算简图为简支于有柱间支撑柱列的门式刚架柱顶的水平桁架，其交叉斜腹杆系柔性系杆，只能承受拉力，竖腹杆必须设计成刚性压杆才能组成几何不变体系，传递端墙的荷载或作用。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.2条第6款和第4.5.3条的规定，将屋面横向水平支撑桁架的竖腹杆按压杆设计；当檩条位于屋面横向水平支撑桁架节点处拟由其兼作屋面横向水平支撑的竖腹杆时，檩条应满足对压弯杆件的刚度和承载力要求，必要时应加强。如图3.2.1所示。3.2支撑体系常见问题3.2.4屋面横向水平支撑的节点未与抗风柱布置相应协调。改进措施原因分析：屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处，可以使抗风柱柱顶的反力直接传递，避免刚架斜梁受扭。改进措施：首先根据房屋的使用要求布置抗风柱，然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面横向水平支撑桁架的节点及支撑杆件；因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面横向水平支撑的节点，屋面横向水平支撑的交叉斜杆为柔性拉杆，与刚架斜梁的连接较为简单，可以不必等间距布置，这是门式刚架与普通屋架不同之处。在抗风柱与刚架斜梁连接处，刚架斜梁下翼缘应设隅撑。如图3.2.4所示。图3.2.4抗风柱连接节点示意图3.2支撑体系常见问题3.2.5屋面横向水平支撑和柱间支撑采用圆钢时，未设张紧装置；当设有桥式吊车时，柱间支撑未采用型钢支撑。改进措施原因分析：圆钢支撑侧向刚度小，安装时会因自重而下垂，再加上圆钢支撑初始弯曲和连接松弛等缺陷，不设张紧装置就不能保证支撑始终处于张紧状态，对门式刚架房屋的整体稳定性和整体刚度起不到应有的作用。当有吊车时，柱间支撑改而采用型刚支撑，也是为了保证门式刚架房屋的纵向刚度。改进措施：采用圆钢支撑时，应按《门式刚架规程》CECS102和《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.2条的要求设置张紧装置。有吊车时,柱间支撑应采用型钢支撑；在8度及以上地震区或地震作用效应组合控制时，门式刚架房屋的屋面横向水平支撑和柱间支撑亦应采用型钢支撑。3.2支撑体系常见问题3.2.6在刚架转折处(边柱柱顶和屋脊、多跨房屋中间柱柱顶)，未沿房屋纵向全长设置刚性系杆。改进措施原因分析：在刚架转折处设置刚性系杆，除了承受压力和传递纵向水平力外，在安装过程中可增加刚架的侧向刚度，保证结构安全。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.2条第5款的规定，在刚架的边柱柱顶和屋脊处及多跨房屋适当位置的中间柱柱顶处，均沿房屋全长设置通长的刚性系杆；不宜由加强的檩条代替刚架转折处的刚性系杆，如图3.2.1所示。3.2支撑体系常见问题3.2.7压型钢板薄壁型钢檩条屋面，当檩条跨度大于4m时，未合理设置拉条、斜拉条及撑杆体系。改进措施原因分析：冷弯薄壁型钢檩条通常采用Z型钢和卷边槽钢檩条，由于其重心高，弱轴抗弯能力差。当檩条跨度大于4m时，应设置拉条、斜拉条及撑杆体系，以提高其侧向刚度与承载力，减少其在安装和使用阶段的侧向变形和扭转。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第6.3.5条和6.3.6条的规定，当檩条跨度大于4m不大于6m时，应在檩条跨中设置一道拉条，当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度3分点处各设一道拉条，拉条宜设置在距檩条上翼缘1/3腹板高度范围内。为了防止檩条向屋脊方向弯扭失稳，在设置拉条的同时，应在檐口处增设斜拉条和撑杆；为了承受屋面的坡向分力，在屋脊处(有天窗时在天窗处）亦应增设斜拉条和撑杆；当屋面坡面过大时，在檐口和屋脊之间的适当位置必要时也宜增设斜拉条和撑杆。当门式刚架跨度不大、屋面对称屋脊布置且坡度较小时，屋脊处可不设斜拉条和撑杆。拉条应根据最大的屋面坡向分力按拉杆计算确定，撑杆则按压杆设计，如图3.2.7所示：图3.2.7檩条间拉条布置示意图3.3设计计算常见问题3.3.1刚架梁、柱高强度螺栓连接节点的端板，不满足最小厚度16mm的要求。改进措施原因分析：刚架梁、柱连接节点通常假定按刚性连接节点设计，要保证连接节点与计算模型相符，传力可靠，除满足计算要求外，必须严格控制端板厚度不小于16mm，以保证端板有足够的刚度。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.9条规定，设计刚架梁、柱连接节点端板时,如计算出的端板厚度不足16mm时,应取端板厚度≥16mm；工程习惯上，端板的厚度也不宜小于节点所用高强度螺栓的直径d。同时，根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.11条规定，端板与刚架柱翼缘和斜梁翼缘的连接应采用全熔透对接焊，焊缝质量等级为二级；端板与刚架构件腹板的连接应采用角对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝。3.3设计计算常见问题3.3.2柱脚锚栓的直径，不满足不小于24mm的要求，且未设置双螺帽。改进措施原因分析：刚架柱脚通常假设与基础为铰接相连，有吊车时则应采用刚接柱脚;柱脚锚栓直径除按计算确定外，考虑到实际工程中可能会承受部分水平剪力等不利因素，其直径不宜过小。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.18条规定，当计算出的柱脚锚栓直径小于24mm时，应取24mm。一般情况下，刚架跨度不大于18m时,采用2个M24的锚栓；刚架跨度不大于27m时,采用4个M24的锚栓；刚架跨度不大于30m时,采用4个M30的锚栓。柱脚锚栓均应设双螺帽，以防螺帽松动，影响柱脚安全可靠的工作。3.3设计计算常见问题3.3.3未复核有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力。改进措施原因分析：门式刚架房屋端墙(山墙)上的风荷载经由抗风柱、屋面横向水平支撑等结构构件传至柱间支撑，柱间支撑的最大竖向分力使与其相连的柱脚锚栓产生上拔力。改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.19条规定，进行有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力计算。计算柱间支撑产生的最大竖向分力时，不考虑活荷载(或雪荷载)、积灰荷载和附加荷载的影响，恒荷载的分项系数应取1.0;计算柱脚锚栓的受拉承载力时，对Q235钢锚栓，其抗拉强度设计值fat=140N/mm,锚栓的面积取螺纹处的有效截面面积。3.3设计计算常见问题3.3.4未复核柱脚底部水平剪力能否由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，当摩擦力不足时，应设柱脚抗剪键。改进措施原因分析：根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.20条规定，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由柱脚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。改进措施：按《门式刚架规程》的规定，复核柱脚底部的水平剪力是否可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受，当摩擦力不足时，柱脚底板下应加焊抗剪键。柱脚底部的水平剪力和摩擦力均应取可能的最不利的组合设计值。柱脚抗剪键的截面尺寸和连接焊缝应按混凝土的局部抗压和抗剪键本身的弯剪承载力计算确定。3.3设计计算常见问题3.3.5檩条和墙梁设计计算时，未按《门式刚架规程》的附录A计算风荷载，也未考虑风吸力的不利影响。改进措施原因分析：门式刚架轻型钢结构房屋属于低矮房屋范畴，进行风荷载计算时所需要的风荷载体形系数，由于我国现有的资料不完备,《门式刚架规程》CECS102建议采用美国MBMA手册中的规定,并作为附录A列于规程中。为和MBMA手册配套，《门式刚架规程》要求将我国现行国家标准《荷载规范》GB50009的基本风压值乘以综合调整系数1.05。改进措施：进行门式刚架轻型钢结构房屋檩条和墙梁设计计算时，取自《荷载规范》第7.1.2条的基本风压值应乘以1.05的综合调整系数，风压高度变化系数按《荷载规范》第7.2.1条和第7.2.2条的规定采用，当高度小于10m时，按10m处的数值采用；风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数，按《门式刚架规程》附录A的A.0.2条的规定采用。在风吸力作用下，冷弯薄壁型钢檩条下翼缘受压时，当屋面能阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转时，可偏安全地按《薄壁型钢规范》GB50018的公式(8.1.1-2)进行验算。墙梁的设计计算与檩条类同。3.3设计计算常见问题3.3.6门式刚架轻型钢结构房屋的刚架立柱随意改为钢筋混凝土柱，仍按门式刚架结构体系进行设计，会造成工程事故。改进措施原因分析：门式刚架轻型房屋钢结构是一种跨变结构，其斜梁和立柱可以是变截面的，也可以是等截面的，立柱与基础的连接可以铰接，也可以刚接，但斜梁与立柱必须刚接。钢筋混凝土排架结构则不同，它的屋面主构件可以是钢筋混凝土梁或钢梁，也可以是钢筋混凝土屋架或钢屋架，并且与钢筋混凝土柱顶铰接，钢筋混凝土柱脚则与基础刚接。显然，这是完全不同的两种结构体系。因此，按门式刚架轻型钢结构设计的房屋，不应随意将刚架立柱改为钢筋混凝土柱。因为钢材和钢筋混凝土两种材料在材性、刚度和承载力方面有很大差别，不能简单代换，而且在柱顶，钢结构的斜梁与钢筋混凝土的柱是两种不同材性的构件，很难实现刚接。所以随意将门式刚架立柱改为钢筋混凝土柱会导致结构严重不安全。改进措施：（1）不得随意将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱，也就是说不得随意改变结构的材料和体系；（2）当必须将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱时，钢筋混凝土柱必须与基础刚接，钢斜梁与柱顶应按能承受水平推力的铰接连接进行构造设计，所构成的跨变排架结构应重新进行内力分析，除应重新验算斜梁的承载力外，还应按承