门式刚架钢结构设计理念与工程实践的若干问题

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作者：陈友泉孙学水
时间：2011-12-01 16:56:16 [收藏]

本文就门式刚架轻钢结构设计理念结合工程实践探讨以下问题：（1）以隅撑间距作为屋面梁平面外计算长度需隅撑连接檩条体系满足门槛约束刚度；（2）围护板蒙皮效应对檩条稳定计算方法的影响，即使是弱蒙皮效应也能显著提高檩条稳定性；（3）应根据构件的剪应力水平考虑设置横
关键词：钢结构设计理念工程

1 引言

钢结构建筑技术包括设计、制作、安装三个方面，这三个方面技术是紧密相连互相影响的，但设计处于技术的主导地位，它规定了制作和安装的技术要求，故对制作和安装有很大的约束性，因此，很难想象单凭一个不熟悉钢结构制作和安装的技术人员能够做出一项完美的钢结构设计项目。另一方面，指导设计的是国家颁发的各种技术规范和技术手册，故技术规范和技术手册与时俱进很重要，它需要及时地吸收工程实践中的经验，尤其是新技术、新工艺，否则，技术规范和技术手册会阻碍技术进步。我国早期的钢结构建筑，除了大跨度桥梁外，主要是重型厂房建筑，所采用的规范和技术直接来自于前苏联，这些规范和技术体现了显著的计划经济时代的特点，改革开放前建筑钢结构极少，其技术和规范变化不大，符合当时的国情。自改革开放以来，建筑钢结构在我国如雨后春笋般地涌现出来，先是钢网架结构，随后是门式刚架钢结构，而门式刚架因其更强的适应性，得到最为广泛的应用。我国的《钢结构设计规范》^[1]和《钢结构工程施工质量验收规范》^[2]及其他的相关技术规范等虽经数次修订，但跟不上时代的步伐，难以适应新型钢结构体系的应用，市场经济的需要催生了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》^[3]，这本规程引进了大量的欧美国家的先进技术，为我国门式刚架轻钢结构的发展起了极为重要的作用，但需要配套的工程施工验收规范等没有得到应有的关注，仅有一本制作方面的补充验收规范^[5]，至今没有一本全面适合这类结构的施工质量验收规范。

显然，我国门式刚架钢结构发展速度过于迅猛，超前于相关技术人员和操作工人的成长，工程实践中必然存在大量的问题，其原因除了钢构企业技术素质和管理素质欠缺外，也有监管人员，包括包括前面讲到的国家设计规范、施工验收标准方面技术观念过时或不适应的问题，这些问题在一定程度上阻碍了门式刚架轻钢结构的推广应用，制约了我国钢结构事业的健康发展。当前，我国钢结构的在建项目比任何一个发达国家的都要多得多，其中，门式刚架钢结构的建筑规模和复杂性也远超过欧美国家，仅依靠原先引进的技术是不够的，有许多新的问题需要探讨，尤其是在设计理念方面需要创新，这种创新必须要结合工程实践才能到位。

门式刚架钢结构建筑是一种全钢结构体系：其围护板体系需要檩条系统支承，但反过来围护板又对檩条提供约束提高其稳定性；檩条体系需要主刚架系统支承，但反过来檩条又对主刚架提供约束提高其稳定性，在设计中利用好这种约束关系可得到非常经济合理的设计结果，但这需要锁定其结构构造特征来保证，意味着设计必须要考虑制作和安装两方面的实际操作能力和可执行技术条件。另一方面，门式刚架钢结构又是一种预制式建筑体系，主要的制作在工厂完成，是一种适合于工业自动化流水线作业方式，这意味着应该走标准化、系列化、产品化的道路，否则，必将导致效率低下，质量不稳定。尽管门式刚架钢结构有这样一些特点，但在工程实践中，由于体制的原因，不得不受到传统建筑工程运行模式的影响，即：由设计院负责结构设计，找一家钢构企业专门负责加工制作，再由一家土建单位或挂靠土建单位的施工队负责安装，其协调、配合的麻烦与困难几乎贯穿于整个工程过程中，所谓标准化、系列化、产品化是难以实现的，工程的经济合理性可想而知。解决这个问题的出路在于钢构企业能精于设计，以设计为龙头，集成制作和安装两方面技术，在设计好结构体系的同时，大量使用与之配套的标准化设计，其各种连接、五金配件和防水建筑构造等都要与配套，除此之外，还要考虑到工地现场的安装偏差，事先设计好各种必备的、用于调节的标准化楔片等等问题。但我国的国情，市场的无序竞争使得众多的钢构企业难以专注于此，它们惶惶然应付各种施工质量问题，只能顾及眼前利益，无暇于长远的打算，使得这个目标难以实现。当然，有部分钢构企业致力于钢构件加工质量的保证，但与工程整体的经济合理性和高效率不是一回事。

综上所述，如何正确地运用技术规范、规程，如何创新门式刚架钢结构设计理念，如何将设计理念与工程实践相结合就成为钢结构行业的一个重要任务，本文就这方面的问题在技术层面上进行一些探讨，作为抛砖引玉供同行参考。

2 门式刚架钢结构的几个设计理念

2. 1 屋面梁的平面外计算长度问题

在外荷载作用下，当屋面梁的上翼缘受压应力时，由檩条提供侧向约束很容易解决其弯扭失稳问题；当屋面梁的下翼缘受压应力时，根据文[3]，连接下翼缘和檩条的隅撑作为解决屋面梁弯扭失稳的侧向支撑，由此，隅撑的间距就取作屋面梁的平面外计算长度。这个计算模式对于一般的较小型门式刚架是没有什么问题的，但当门式刚架跨度较大或有较大吊挂荷载时，则屋面梁受压翼缘面积变大，比如大于2000mm²（相当于一个20010的板件）时，则隅撑+檩条体系所能提供的刚度条件可能不足以构成完全的支撑条件，即，不满足计算模式所需要的支撑约束门槛刚度，因此，需要根据计算考虑将隅撑的间距乘以一个大于1.0的修正系数^[11,13]，否则，计算结果偏于不安全，关于这个问题，中、外技术规范均没有考虑。所以在工程实践中，当面临较大的门式刚架设计时，要么不管这个支撑约束条件，结构可能有不安全隐患，这种情况占大多数；要么用其他的、与门式刚架结构体系不相称的结构处理方式或干脆改用其他结构体系，所以，应该解决好这个问题。

根据文[10]的方法，分别计算隅撑+檩条体系作用下的屋面梁临界弯矩和简支纯弯梁的临界弯矩，通过两者的比较即可得到这个计算长度的修正系数，在隅撑+檩条体系作用下的屋面梁临界弯矩是：

2. 2 檩条的稳定计算问题

工程上采用冷弯薄壁型钢作为檩条和墙梁无疑是经济合理的，国内有大量的论文研究冷弯薄壁型钢檩条的稳定计算，但大多数是从复杂的稳定屈曲理论上寻求简化计算公式以便于工程应用，而实践工程中，檩条必然受到屋面板的约束，对于这种约束的考虑，国内规范^[4]所能做到的仅限于要么约束很强无需考虑稳定问题，要么完全不考虑其约束，按理想化的屈曲模式计算，无疑，其计算结果有较大偏差，有的情况下甚至是巨大偏差，檩条稳定计算的复杂性在文[13]中有较详细的论述，

冷弯薄壁型钢主要采用C形或Z形构件，荷载作用线与构件的剪切中心偏离较大，故有较大的扭矩存在，根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》^[4]计算这种构件的承载能力，需要计算因扭矩带来的双力矩，由双力矩产生翘曲应力，如果檩条跨中无侧向约束，则这个翘曲应力一般会大于弯曲应力，文[12，13]有详细的论述。要计算翘曲应力是极为麻烦的，但在工程实践中几乎无人去计算它，是不是可以忽略不计？关键是如何考虑屋面板对于檩条的扭转约束效果问题，对于普通的压型钢板通过自攻钉直接固定在檩条上的这种90年代最为常用的结构形式，屋面板对于檩条的扭转约束刚度足够强大，可以消除翘曲应力，不用计算；而且，这个扭转约束刚度远超过檩条弯扭稳定所需要的门槛刚度，当檩条上翼缘受压时，完全可以不用考虑檩条的稳定计算；对于檩条下翼缘受压时，这个扭转约束刚度也能起很大作用，文[3]的附录计算实例充分说明了这一点。现在的工程实践，为得到最好的屋面防水性能，流行采用360^o咬合式屋面板，它需要屋面板与檩条之间能够错动滑移以适应温度的变化，这种屋面板的蒙皮刚度远小于前述板的蒙皮刚度^[14]，但这种弱蒙皮效应仍对檩条的稳定很有帮助^[12^，^13]，如果再辅之以设置拉条的话，就较容易达到按照文[3]风吸力作用下檩条稳定计算模式所需要的抗扭约束门槛刚度，这就是为什么这么多年来国内钢构企业用的是360^o咬合式屋面板，而采用的是根据普通压型钢板试验得到的稳定计算公式，在工程实践中没有因此而发生问题的根本原因。图2-2是2007年沈阳大雪作用下的某厂房端部的檩条在堆积雪作用下严重弯曲没有失稳，其屋面用的就是360^o咬合式屋面板。

这里需要说明的是文[3]引用的是欧共体的EC 3-1-3^[6]，稳定计算公式仅考虑蒙皮效应，没有考虑拉条作用的计算，实际上，因采用的蒙皮效应很强，拉条的效果被蒙皮效应包括进去了；在它的2006年版本则将蒙皮效应和拉条作用分开考虑，但给出的公式蒙皮效应仍是针对普通压型钢板的，并没有涉及360^o咬合式屋面板的情况；该版本的重要意义在于：将蒙皮效应和拉条作用分开考虑后，便于这种计算模式能够套用到弱蒙皮屋面板的工程中去。故此，针对我国的状况，要解决好檩条的稳定计算需要国内行业界确定出几种典型的360^o咬合式屋面板对檩条的扭转约束刚度，用这些扭转约束刚度放到公式里去计算。显然，我国的设计规范应尽快引进EC 3-1-3的2006年版本，以便适应工程实践中的各种不同情况^[13]。

2. 5 温度区段长度问题

一般设计人员仅按规程设计，很少去思考规程所做的规定有其适应条件，根据文[3]纵向温度区段长度可取为300m，这对于无吊车梁的轻型门式刚架钢结构是没有问题的，因为檩条与刚架的连接采用的是椭圆孔，围护板用得是肋型板，它们在建筑物的纵向都有极好的变形能力，不会使柱间支撑产生大的温度应力，故设计时不需计算温度应力，但要求纵向系杆也应是普通螺栓连接，而不是焊缝连接（如此，温度应力得不到释放），否则，柱间支撑内力仍将很大。如果设有吊车梁，因吊车梁的刚度很大，温度区段仍是300m的话，则一般来说柱间支撑的温度应力早已超过屈服点甚至有被拉断的可能；如果去掉两端区间的下柱支撑，使吊车梁的计算温度区段成为100m，可大大减少吊车梁和柱间支撑的温度应力，但对柱间支撑来说，其温度应力仍很大，不能忽略不计。所以，设计人员应该有自己的判断，虽然同是门式刚架体系却因构件刚度及连接方式的不同温度应力大相径庭，不要以为凡是按规范、规程给出的温度区段设计就可以不管其他。

3 制作方面的问题

3. 1 薄腹板制作变形及质量验收问题

焊接钢构件有一个不均匀的热胀冷缩过程，因而会产生各种变形，H型钢腹板与翼缘之间的焊缝在冷却收缩时，腹板靠近焊缝区域产生拉应力，腹板的其它区域产生压应力，正是这个压应力使腹板沿纵向屈曲形成波浪性鼓曲变形^[13]。对于这种变形，文[2]规定了判断构件合格的验收标准，它与文[1]是配套的，传统的钢结构构件用的腹板厚度大，不容易屈曲，所以变形很小，显然，按照传统钢结构编制的关于腹板变形的验收标准用于轻钢构件是不合适的，这使得我国的轻钢构件很难应用在工程上，只好加厚腹板来制作钢构件了。

构件受弯时，腹板一半为压应力一半为拉应力，且压应力为三角形分布，最大应力又发生在与翼缘相交处，翼缘对腹板的约束也在此处，故这种受弯应力模式的腹板屈曲临界应力高，因此，控制腹板高厚比的临界应力主要由受剪控制，在剪力作用下，总是有一对正交的主拉、主压应力场，主压应力超过临界应力时腹板屈曲，主拉应力场则有阻止其屈曲的效果，使腹板屈曲后仍有承载能力。如果在腹板上配之以横向加劲肋之后，则实腹式H构件可转化成类似空腹式桁架的结构形式，见图3-1(a)所示，此时，腹板的局部屈曲对构件的极限承载力影响大为减弱，如果端部有针对张拉场的竖梁的话，见图3-1（b）所示，腹板的局部屈曲就不再会影响构件的极限承载力，有鉴于此，对薄腹板变形的验收规定是否仍需按普通钢结构那样严格就值得探讨。

有理由认为，在设计人员按照设计规范利用屈曲后强度理论计算^[3]，对允许的剪应力设计值折减之后，可以考虑参考美国同行的做法，对腹板平整度的允许变形值给予适当的放松，建设部颁布的《门式刚架轻型房屋钢构件》^[5]规定的腹板变形允许值参考了美国金属结构规程MBMA^[7]，但将其允许变形值由h/72减小到h/100，采用文[5]，使得轻钢构件比较便于通过验收。但这当中还有问题，就是我国规范对平整度的定义和美国的MBMA及焊接规范AWSD 1.1^[8]不同，美国规范的定义是按腹板的鼓曲变形规律考虑的，认为腹板的鼓曲变形一定是符合正弦波规律，其正弦波峰距中性线的距离即是平整度的定义，见图3-2（a），此完全符合腹板的实际变形状况，也符合按拐点（正弦波与中性线的交点）作为边界条件分析薄板屈曲的力学原理（屈曲理论），正确地反映了腹板鼓曲变形的力学本质。我国规范沿用过去传统的以1m范围作为度量平整度的依据，见图3-2(b)，显然不符合腹板的变形规律和力学特征，用了这个平整度的定义之后，使得文[5]所规定的腹板变形允许值虽然比文[2]要宽松，但比美国规程仍要严格许多，例如，当腹板鼓曲的波长不超过1m，意味按我国规范定义的变形值比美国定义的要大一倍，这就是我国轻钢构件难以推广运用的一个重要原因之一。按照文[8]，对腹板变形的限定要考虑到构件的观感，对观感要求高则应严一些，否则可松一些。当构件设有间距a≤1.5h（h为构件截面高度）的横向加劲肋时，允许腹板变形还可适当放松一些。

3. 2 吊车梁突缘支座加劲肋下端刨平顶紧问题^[13^，^20]

为使吊车梁在牛腿上传力尽量不产生偏心，通常采用突缘支座加劲肋方式，它要求突缘支座加劲肋下端刨平顶紧传力，这是传统的做法，可得到极好的传力模式，但其工程成本将极大地增加，在当前市场条件下几乎不可能实行。首先，所有吊车梁必须做预拼装，通过精加工达到刨平顶紧之目的，预拼装必须对构件采用一对一的编号方式，吊车梁在工厂装车和现场卸车必须按原预拼装一对一的编号位置顺序放置在工地上等待安装，否则，原先的刨平顶紧不起作用，这就使得管理难度极大地增加。正是因为如此，使得这个设计意图只是停留在图纸上，并没有在工程上真正实施，况且，一般的中、小企业也没有设备条件去做预拼装精加工。如果不这样做，则只能保证牛腿上一侧的吊车梁突缘支座加劲肋基本符合刨平顶紧条件，另一侧吊车梁的突缘支座加劲肋受到螺栓的约束其下端在牛腿上可能是点接触，点接触传力意味该吊车梁有附加扭矩，附加扭矩将由连接吊车梁的各种螺栓承担，极易造成螺栓松动，行车振动，极为不利。鉴于这样的情况，宜退而求其次，将突缘支座加劲肋上的螺栓孔径加大2mm，使两吊车梁在端头的连接处能有微小的松动，使两侧的吊车梁基本达到在牛腿上顶紧传力之目的，突缘支座加劲肋上的螺栓不需要承担吊车荷载，加大螺栓孔径不会有安全之患。

当然，对于重要的重级工作制吊车梁，考虑传统的突缘支座加劲肋下端刨平顶紧，仍有其必要，但需要市场有优质优价的公平与约束机制（这正是国情难以解决的问题），否则，工程实践不但不能符合设计意图，反而连上述退而求其次的措施都不做，而这正是当前工程中普遍的状况。

4 安装方面

4.1 端板式高强度螺栓连接的技术要点

传统的高强度螺栓连接主要采用摩擦型连接见图4-1(a),节点复杂，成本高；轻钢结构采用的高强度螺栓连接见图4-1(b)，简单方便，成本低，此种连接可称之为“张拉性连接”，但有人并不了解这种连接的技术特点，认为这种螺栓“采用张拉力，实际上降低了受拉螺栓的承载能力，是极其不合理的”^[16]，当然，这种观点是完全错误的^[17]。实际上，这种“张拉性连接”节点不是完全的刚性节点，它会有一点“附加转角”^[18]，所以，应当保证像摩擦型连接那样的预拉力来保证节点的刚度。

另一方面，“张拉性连接”无需像摩擦型连接那样要求严格的抗滑移系数，可以对其接触面涂刷普通的防锈油漆，这一点很重要，因端板之间是有缝隙的，以后湿气引起的锈蚀是无法整治的，经常遇到工地上施工监理按照文[2]中摩擦型高强度螺栓的做法，不允许钢构企业涂刷防锈油漆，百害而无益。另一方面，为便于螺栓安装，还可以冲成椭圆孔，这在美国用得很普遍，因为他们的设计规范有针对椭圆孔承载力的计算图表，我国规范无相应计算方法，使椭圆孔在工程实践中难以推广，大大增加了安装难度。

这种端板式连接在现场安装经常出现的问题：一是个别螺栓孔对不上；二是端板间有缝隙，现场监理不清楚这种连接节点的技术特点，往往按照传统摩擦型连接的方法做，对螺栓穿不上孔不容许火焰扩孔，对端板缝隙不容许加楔片，要采用火焰矫正的办法，使得现场操作极为困难。实际上，这种“张拉性连接”节点主要的技术关键就是保证予拉力，火焰扩孔不会有什么问题，如美国的高强度螺栓施工规范对这种“张拉性连接”是容许火焰扩孔的^[9]；对端板缝隙加楔片也不会有什么问题，如果用火焰矫正的办法，所形成的残余应力与外荷载产生的应力有迭加关系，使得节点呈刚度退化现象,反而对结构不利。

4.2 混凝土柱顶上钢斜梁拱的安装问题

在工程实践中常会遇到混凝土柱顶上采用钢斜梁拱这样一种结构体系，从结构理论来说，这种结构体系与门式刚架无关，但很多技术人员仍将此看作是门式刚架，因不知其中的技术特点引起诸多的工程隐患，故在此讨论。实际上，这种（单跨的）斜梁拱是一种很不合理的结构形式，文[19,20]有详细的分析，它的要害是拱脚处的反推力对于结构有极大的影响，而施工时很难保证这种反推力符合设计模型；再有，在拱顶处用的是端板式高强度螺栓连接，该处的“附加转角”也对结构的下挠（亦即坡度）有很大的影响，而坡度的变化对内力的影响很大^[20]。

在施工时应对这种钢结构体系考虑两个特殊的措施：一是安装时适当地予以起拱，使抵消拱顶节点的“附加转角”影响；二是在跨中加临时支撑，消除柱顶处的反推力，待浇灌的混凝土固结后再撤去临时支撑，或是一次性做好混凝土柱顶的标高和平整度，设置带抗剪件的预埋件，在地面上一次性装配好斜梁拱，在斜梁拱的吊构松开之前，将其焊接在预埋件上，总之，需要采取有效措施保证反推力才能消除工程隐患。

4.3 吊车梁安装的偏心问题

因土建安装的偏差，吊车梁搁在牛腿上很容易出现偏心，见图4-2(a)，因有此偏心则吊车梁下翼缘的连接板螺栓孔就对不上，见图4-2(b)，这是常见的安装毛病。解决这个问题需有两个措施^{[13, 21]}：第一，在安装时，应该从建筑的中央分别往两端逐一调整吊车梁的位置，避免从一端安装到另一端造成累积误差，安装调节顺序见图4-3所示；第二，需要设计和制作两方面都要配合好，所设计的吊车梁端部之间插入的调节板厚度不能定死，要提供几种不同厚度的调节板供现场选用，由此，可以微调土建安装造成的偏差。第二个措施说起来容易，但实行起来并不容易，一般设计人员不会去关注调节板厚度问题，只是照抄吊车梁标准图集给出的调节板厚度；制作方面更不会去考虑这个问题；现场安装人员只是被动地做事，也不知道调节板的作用是什么，故需要作为技术龙头的设计人员意识到这个问题，在设计施工图上给出可操作的做法。

5 小结

在工程实践中，因设计不能充分考虑制作工艺和安装技术会带来一系列不切实际的技术困难或工程质量问题，因此，在设计理念上重视克服僵化的本本主义，紧密结合工程实践，作为龙头集成制作和安装技术实属必要；另一方面，作为指导钢结构设计的国家技术规范、规程?弃过时、守旧的技术，结合不断发展的工程实践，创新技术标准是极为重要的。

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