Abstract: The design of steel structures of light-weight buildings with gobled frames is discussed，strong emphasis on select materials；arrange structures；pulins design and gobled frames design to probe the economical and rational.
Keywords：light-weight buildings with gobled frames economical rational
0、前言
在90年代前，我國房屋鋼結構主要是應用于重型廠房，90年初，輕型門式剛架開始得到應用。門式剛架輕鋼房屋結構體系由主剛架體系、檁條和支撐體系、圍護體系三大體系構成。其中圍護體系采用壓型鋼板作為面板帶來了兩大主要特點:①結構自重輕②蒙皮效應強。充分利用這兩大特點,在保證安全可靠的前提下,可以在結構造型（變截面）、支撐體系、剛度設計（側移限制）、穩定設計（利用隅撐）、局部穩定（按剪應力大小設加勁肋，利用屈曲后強度）、蒙皮效應利用、簡單的端板式連接等方面采用了先進的模式與技術，從而降低了造價，比傳統鋼結構更為經濟合理。
1、選材
1.1 主剛架和吊車梁:
主剛架選用Q235B、Q345A及以上等級的鋼材。
吊車梁:行車噸位≤5t的輕級工作制吊車梁宜選用Q235B、Q345A等級的鋼材；行車噸位較大或≥10t中級工作制吊車梁宜選用Q345B及以上等級的鋼材。
1.2 檁條:
簡支、小跨度的檁條宜選用Q235A等級的鋼材；連續或大跨度的檁條宜選用Q345A等級的鋼材。一般情況下,當由強度控制設計時宜用Q345A級鋼材，充分利用其屈服強度高的優勢。當由剛度控制設計時宜用Q235A級鋼材，在同等用鋼量的情況下利用其價格優勢。當由穩定控制設計時，可根據具體情況選擇Q345A或Q235A級鋼材。
1.3支撐:
屋面及柱間支撐一般采用張緊的圓鋼,有較大噸位行車時柱間支撐用角鋼，隅撐一般采用角鋼，這類型鋼根據市場情況采用Q235鋼。
1.4壓型鋼板:
基材:鋼板基材在根本上決定彩涂鋼板的承力性能和壓型加工性能,因此在選用基材等級或牌號時,主要考慮其力學性能、化學成分及其冷彎性能。一般情況下,鋼板基材宜選用Q235或性能與其相近的牌號;若為暗扣式壓型鋼板,則宜選用Q345或性能與其相近的牌號。
鍍層:鍍層在鋼板防腐性能方面起主要作用。各種彩板鍍層厚度分別為:a)熱鍍鋅鋼板的鍍層厚度雙面和最小應不小于180g/m2,一般外層板采用180g/m2∽275g/m2, 內層板可采用180g/m2; b)熱鍍鋅合金化鋼板的鍍層厚度雙面和一般取為180g/m2; c)熱鍍5%鋁鋅鋼板(Galfan) 的鍍層厚度雙面和一般采用180g/m2∽275g/m2; d)熱鍍55%鋁鋅鋼板(Galvalume) 的鍍層厚度雙面和一般取用150g/m2。在相同鍍層厚度下,各鍍層鋼板的防腐性能按弱到強的排列順序是熱鍍鋅鋼板 熱鍍鋅合金化鋼板 熱鍍5% 鋁鋅鋼板 熱鍍55%鋁鋅 鋼板。
涂層: 涂層(或稱面漆)主要是有機(碳)化合物,主要作用是出于美觀以及外加保護層的需要,因此其耐候性與防粉塵附著性是選擇涂層時要考慮的主要因素。常用涂層的耐候性由弱到強的順序是聚酯樹脂(8∽10年) 硅改性聚酯樹脂(8∽15年) 聚二乙烯氟樹脂(≥20年)。
2、結構布置
2.1 合理柱距
門式剛架的合理柱距6∽9m，有行車時柱距宜小不宜大。特別是對于行車噸位≥10t時，柱距宜≤7.5m，不帶行車的門式剛架柱距宜取7.5m∽9m,且單跨越大選用柱距也應越大，此時不僅用鋼量較為經濟而且能滿足工藝上大柱網的要求。
2.2 端框架與山墻墻架
端框架即山墻采用門式剛架，適用于以下幾種情況:
2.2.1 建筑規劃有續建要求;
2.2.2 有抗震要求;
2.2.3 有行車設置;
2.2.4 工程地點為近海或風載較大的地區;
2.2.5 檐高較高(約超過9m);
幾種情況外可考慮采用由斜梁、抗風柱和墻梁組成的山墻墻架。結合考慮山墻面的蒙皮效應后，可以用冷彎薄壁型鋼做成輕型的鉸接體系墻架。
2.3支撐體系
門式剛架結構體系屬平面結構體系。在橫向（即跨度方向）為平面主剛架，可以承擔豎向荷載和橫向荷載。在縱向是靠支撐來承擔縱向水平力，使整體剛架構成具有空間剛度的建筑。支撐系統一般用鋼量為0.5∽1.5Kg/m2，只占整個結構用鋼量很少一部分，但其作用卻很重要，設計時一定要加以重視。
支撐利用圓鋼時一般要求30∽40m設置一道，最大不宜超過60m。柱間支撐的位置宜與屋面支撐所在柱間相同，以便兩榀剛架直接構成一個穩定的空間體系，可使房屋縱向風荷載傳至基礎的路線更直接，同時也使框架按有無支撐孔及連接板分類容易，方便了制作及安裝。跨度較大或風載較大時，支撐體系宜多設幾道，此部分的用鋼量很小，但對整個結構非常有利。另外，多跨度結構中的中柱宜設柱間支撐，分擔部分傳至基礎的縱向水平荷載，使屋面支撐構成的桁架體系具有中間支座效果，大大降低了支撐桿件的內力。
支撐的傳統計算模式是不管整個建筑有多少道支撐，均按迎風面的第一道支撐體系承擔全部的迎風面風荷載。雖簡化了計算過程且回避了支撐間縱向系桿的計算，但是這種算法顯然過于保守。按文獻[2]的風荷載及支撐系統傳力模式，則縱向系桿必然傳力，因此門式剛架輕型房屋不宜按傳統的簡化計算模式來計算支撐系統內力。第二種簡化計算方法是將兩端山墻風荷載迭加在一起，除以支撐道數即得到每榀屋面桁架式水平支撐和柱間支撐所受的荷載。按文獻[3]中對此種方法的精確計算分析，對于斜拉桿計算為精確值，對于直壓桿計算內力值過于偏小，支撐道數越多，誤差越大。建議此時應根據精確計算找出直壓桿的內力進行設計，以保證整個支撐體系的安全，且又經濟合理。
在輕鋼結構支撐設計中，通常交叉桿件采用張緊的圓鋼，圓鋼直徑不宜超過30mm，因為大于30mm之后預拉力過大，此時應考慮采用角鋼支撐。
傳統鋼結構中，屋面體系中通長的縱向系桿采用專門的圓鋼管或雙角鋼類，用鋼量較大。在輕鋼結構中可從充分利用檁條兼作縱向系桿和屋面水平支撐中的直壓桿。如受力較大可考慮用雙檁條組成。此種做法與過去傳統設計相比，可大大節省用鋼量。
3、檁條設計
3.1 檁條和墻梁主要選用Z型或C型冷彎薄壁型鋼，一般情況下除兼作窗框門框因建筑需要采用C型墻梁外，其余情況宜優先考慮采用Z型構件，將此兩種型式構件作比較可得出如下結論:
3.1.1 C型構件的剪心與形心有偏心,而Z型構件的剪心與形心重合(如圖a示),因此在重力荷載作用下Z型構件的傾覆力矩要大于C型構件;
3.1.2 Z型構件易于搭接構成連續檁條型式;
3.1.3 C型構件外形宜于作有窗設置的墻面檁條，此時C型墻梁兼作窗框。
檁條承受雙向彎矩和扭矩作用,受力較為復雜,同時考慮到便于運輸和安裝,冷彎薄壁C型鋼與Z型鋼檁條截面的高度不宜大于300mm。
3.2 拉條
3.2.1拉條作用:
3.2.1.1 作為檁條側向支承點,增加檁條的整體穩定性;
3.2.1.2 有利于減少檁條在平行于屋面坡度的跨度,降低檁條側向彎矩。
3.2.2拉條布置及做法:
檁條跨度大于4m時,應在檁條間跨中位置設置拉條。檁條跨度大于6m時,應在檁條跨度三分點處各設一道拉條。在屋脊處可利用兩邊對稱重力平衡不設斜拉條。屋面不對稱或有天窗時，在屋脊處或天窗側應設置斜拉條和撐桿；在檐口應設斜拉條以抵抗風吸力作用下的反向彎矩。
拉條可采用圓鋼或冷彎薄壁角型鋼、槽型鋼。采用圓鋼作拉條時,圓鋼直徑宜不小于φ10,以使檁條上的開孔孔徑與支座處孔徑一致。
3.3 連續檁條設計
將檁條設計成Z型嵌套式搭接(圖b)構成連續梁模式，比簡支梁檁條剛度大（撓度小），內力小，可大大節省用鋼量。因此連續檁條適用于屋面荷載較大、跨度較大的情況。為了便于嵌套搭接設計成上下翼緣不等寬，為使嵌套搭接具有連續梁效果，其搭接區長度不宜小于跨度的10%。根據文獻[7]，由于嵌套搭接存在有較大間隙，在支座處約有10%的彎矩釋放，此釋放量將加到在跨中去。
3.4 多跨靜定檁條設計
實腹式多跨靜定檁條宜采用高頻H型鋼,適用于柱距大或屋面荷載很大的情況。多跨靜定檁條的靜力鉸設置位置宜使支座彎矩與跨中彎矩大致相等,通常可設在與支座的距離為鄰跨跨度的1/6處(圖c)。同時需考慮鉸節點處的抗扭措施，可采用設拉條等方式。
3.5 檁條的穩定性設計
檁條的穩定性應考慮圍護板的布置和固定方式并通過構造方法來解決。如屋面板為雙層且與檁條上、下翼緣均有可靠連接時，穩定可不計算，僅計算強度。如屋面板為單層且與檁條上翼緣有可靠連接時，宜在靠檁條下翼緣處設單排圓鋼拉條，保證下翼緣受壓時不失穩。如屋面板為單層且為咬合或暗扣式板，宜在靠檁條上、下翼緣處設雙排圓鋼拉條或采用C型截面拉條，以保證上翼緣或下翼緣受壓時不失穩。
4、剛架設計
4.1 剛架選型:
4.1.1 單脊雙坡與多脊多坡
多跨剛架采用單脊雙坡屋頂有利于屋面排水，且天溝僅設兩道，做法較簡便，如不設女兒墻還可采用外掛天溝可有效防止房屋內漏水，因此在多雨地區宜采用此種建筑方案。在跨度大且設置女兒墻時宜采用多脊多坡結構型式，可減小建筑高度，也可減小鋼梁撓度引起的屋面凹坑效應，防止屋面積水；同時女兒墻高度比單脊雙坡結構女兒墻高度小，風載較大時此結構型式比單脊雙坡結構合理。但多脊多坡結構型式將增加檁條、內天溝和室內排水溝的費用，且內天溝容易產生滲漏和堆雪現象。
以上兩種結構型式在跨度相同時，剛架用鋼量相差不大。
4.2 構件型式:
4.2.1 柱:
柱腳鉸接時宜采用楔形柱，其高度變化根據門式剛架彎矩分布圖，可達到充分利用材料的目的，進一步還可利用屈曲后的強度，使構件的高厚比大于傳統的鋼結構構件。柱腳剛接時宜采用等截面柱，制作簡便。
4.2.1 梁:
雙楔形梁比兩端加腋梁易于流水線生產，但截面變化與梁的應力變化符合程度不及兩端加腋梁，因此用鋼量比兩端加腋梁要稍高。設計時宜根據門式剛架彎矩分布圖采用兩端加腋梁。（圖d）
4.3 構件截面尺寸:
4.3.1 滿應力設計:
剛架采用變截面構件，其截面變化根據主要彎曲應力σM與軸壓應力σN兩者的計算值“組合”的應力圖形的變化。利用截面變化，使各截面“組合應力”與材料設計強度的比值盡可能接近，也就是使材料分布更接近于應力圖形的分布，從而將剛架設計得經濟合理。
4.3.2 初定截面尺寸:
梁、柱采用H型截面,其高寬比(h/b)約為2∽6,此比值隨選用的截面增高而逐漸增大。楔形柱小頭截面的高度不應小于200mm,大頭截面高度約為跨度的1/30∽1/40。等截面柱截面的高度約為柱高的1/18∽1/25。兩端加腋梁等截面部分的截面高度約為跨度的1/50∽1/60，與邊柱連接的加腋高度約為跨度的1/30，與中柱連接的加腋高度約為跨度的1/25∽1/30。
4.4 搖擺柱設計:
搖擺柱應根據其兩端連接構造的實際情況，進行合理設計。如使用的計算軟件不能考慮搖擺柱兩端因彈性嵌固而產生的彎矩和剪力，在具體設計中需要設計人員通過概念設計來考慮。例如控制應力水平，是一種較為簡單的解決辦法。 為節省用鋼量，多跨結構的中柱宜采用搖擺柱，但中柱設為搖擺柱時，需依靠邊柱對其提供柱頂的側向約束，從而加重了邊柱的負擔，使邊柱平面內計算長度增大。尤其檐高較高的多跨結構的中柱宜部分采用擺柱，其余中柱柱頂與鋼梁剛接連接，中柱為搖擺柱時不宜連續超過3根。
4.5 構件穩定設計：
4.5.1構件的整體穩定設計
構件側向無約束自由長度越長，穩定性越差，則所要求構件的翼緣寬度也應越寬。門式剛架輕型房屋常將屋面金屬板和墻面金屬板牢固地連接在檁條上。檁條通過檁托牢固地連接在框架上，形成一個互相約束的空間整體結構，利用圍護板對檁條構成側向約束，檁條則構成梁和柱的側向約束，充分利用這種約束是一種十分經濟有效的解決各構件整體穩定的途徑。當檁條與構件的受壓翼緣相連時，檁條構成對構件的側向支撐；當檁條與構件的受拉翼緣相連時，加隅撐連接檁條與受壓翼緣使之成為構件的側向支撐，以保證構件的整體穩定。梁、柱側向無約束自由長度此時取隅撐之間的最大間距。按CECS102：2002中6.1.6第6條中斜梁不需計算整體穩定性的側向支承點間最大長度，可取斜梁受壓翼緣寬度 
倍，對于檁距約1.4∽1.5m，翼緣寬度為200∽240mm的斜梁，其長度約為2個檁距。作為一般性原則，在梁柱連接附近區域，因其負彎矩值大，為穩定的主要控制區，宜每根檁條均設置隅撐；盡管每根檁條處設置隅撐，但斜梁的平面外計算長度仍不能小于兩個檁條間距。其余區域則每隔一檁條設一道隅撐。
4.5.2 構件的局部穩定設計
工字型截面的梁中，腹板在參與抵抗彎矩的工作中遠不如翼緣有效，因此，腹板宜做高而薄，才能使材料使用得更加經濟合理。但如此一來，腹板則可能出現局部屈曲，局部屈曲也會影響到構件的整體穩定承載能力。傳統的鋼結構設計，以腹板的局部屈曲臨界剪應力不低于其抗剪強度fvy為條件，局部屈曲臨界彎曲應力不低于其彎曲強度Fy為條件，按此條件，則腹板高厚比達到
4.6 構件節點設計
4.6.1柱腳設計
常規的門式剛架輕型房屋自重輕，在水平荷載（特別是風荷載）組合作用下，剛接柱腳型式的柱底反力偏心距往往很大，為了滿足此要求，基礎便做得較大，造成不經濟。另外如工程地點地質條件較差時，基礎的造價對柱底彎矩的大小更為敏感。因此對于不帶行車或行車噸位<5t的門式剛架柱底宜做成鉸接，行車噸位>5t的門式剛架柱底則宜做成剛接以滿足側向剛度大的要求。
剛接柱腳底板不要輕易用厚板，應考慮設置加勁肋減小底板的彎矩，以求減小底板厚度。
鉸接柱腳通過計算錨栓直徑往往很小，且用二顆錨栓固定柱腳似乎更接近鉸接計算模型，但實際工程需考慮施工安裝問題：在柱底板底面與基礎頂面之間有一層50∽70MM厚的二次澆灌層，澆灌層是在鋼柱安裝到位且調整完畢后才進行施工的。澆灌之前鋼柱底板需用調整螺母或沿底板周邊加斜墊塊作為臨時支承件。如下圖e示，在底板 的一個方向上錨栓僅為一排，鋼柱在安裝調整過程中易使錨栓折彎甚至彎斷，因此在采用鉸接柱腳型式時建議用四個錨栓固定，則底板的二個方向上均為二個錨栓，保證施工的方便與安全。
4.6.2梁柱連接節點
等截面邊柱與梁連接宜采用側向豎接，楔形邊柱與梁連接宜采用柱頂平接或斜接，中柱與梁連接宜采用柱頂平接。
平面框架建模計算時，模型中的梁、柱桿件節點往往與施工圖設計中的梁、柱連節點位置略有偏差（如圖f示）。梁柱豎向連接時應取A-A處內力，梁、柱橫向連接時應取B-B處內力。由于該節點處彎矩從最大值沿梁、柱方向在很短距離里下降很快（如圖g示），因而此時如按O點最大彎矩用于該節點設計時過于保守，造成端板厚及螺栓數量上的不經濟。另一方面，因端板的連接實際上不能完全達到剛接的效果，有可能調幅，在該節點處彎矩會釋放一部分到跨中，因此該節點實際內力應小于設計內力。建議梁、柱連接節點內力應取相應連接處的內力進行節點設計，不考慮調幅的影響。
柱頂豎向端板加厚宜采用內平方式，同一柱內腹板則可等寬，方便了制作。
梁-柱或梁-梁直接采用端板式連接比傳統鋼結構采用拼板式連接要簡單得多。在端板式連接中，所采用的高強度螺栓主要承受拉力的作用，所承受的剪力很小。一般情況下不到其摩擦抗剪（按抗滑移系數為0.3計）能力的10%。此種連接型式中，無需采取提高抗滑移系數的措施 [2] 。因此，輕鋼連接采用端板式連接，可大大節省成本。當然，端板式連接對于高強度螺栓的預緊力是有嚴格要求的，必須保證預緊力，否則節點的松動會影響整個剛架的剛度達不到要求。
4.7 檁托
檁托的作用是：①方便安裝。②對檁條提供抗側向傾覆約束。檁托宜采用角形截面或背面加勁板（如圖h示）。不宜采用單塊鋼板作檁托，這種檁托側向剛度很差，在不利荷載作用下易傾覆。
5、小結
根據以上分析，小結如下：
5.1 門式剛架構件宜選用Q235B、Q345A鋼材，對于圍護板應根據其板型及使用條件選擇其相應的基板和鍍層及涂層的彩鋼板。
5.2 柱網尺寸宜根據廠房跨度大小，行車設置情況及工藝要求等選取。
5.3 結構選型：采用變截面構件符合剛架彎矩分布情況，達到充分利用材料之目的。
5.4 利用檁條兼作屋面支撐體系中的壓桿,可大大節省用鋼量。
5.5 連續檁條較之簡支檁條剛度大（撓度小）、內力小，可節省用鋼量。
5.6 利用檁條加隅撐形成對屋面梁、柱側向約束，減小其面外計算長度，提高其穩定承載力，經濟合理。
5.7 局部穩定應根據剪應力水平確定是否設置加勁肋。
5.8 端板式連接高強度螺栓因承受的剪力很小，可不必考慮端板的抗滑移系數。
5.9 梁、柱連接節點可取相應節點處的內力進行設計。
5.10 考慮安裝因素,鉸接柱腳宜采用四顆錨栓固定。
參考文獻
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4 陳友泉 美國鋼結構設計與中國鋼結構設計若干問題的比較研究，97上海輕型鋼結構技術交流會論文集。
5 陳紹蕃 鋼結構設計原理，科學出版社，2001。
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時，就必須設置縱向加勁肋。事實上，在輕鋼結構中，跨度較大，剪應力水平遠低于fvy，彎曲應力在遠離梁-柱節點處也遠低于fy。顯然，按傳統鋼結構設計，必將設置很多加勁肋。輕鋼結構設計按其應力水平的大小，判斷是否需設加勁肋。這樣一來，主要在梁-柱節點處設置支承加勁肋，其余處很少需設加勁肋。此外，在輕鋼結構中，還可進一步考慮利用高薄腹板所形成的膜應力效應或設加勁肋之后的張拉應力場效應，充分利用其屈曲后的強度。
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