中國建筑標準設計研究院張運田教授級高工門式剛架常見問題

及其改進措施3.1基本設計規定常見問題3.1.6鋼柱腳未采用混凝土包裹防護改進措施

原因分析：許多事例表明地面以下的鋼柱腳若不用混凝土包裹,柱腳處由于積水使鋼材嚴重銹蝕，對結構存在著安全隱患，因此《鋼結構規范》GB50017對地面以下的鋼柱腳用混凝土進行包裹列為強制性條文。改進措施：應按《鋼結構規范》第8.9.3條（強制性條文）規定，對柱腳在地面以下部分采用強度等級較低的混凝土包裹（保護層厚度不應小于50mm），包裹的混凝土應高出地面不小于150mm。當柱腳底面在地面以上時，柱腳高出地面的高度不應小于100mm。3.1基本設計規定常見問題3.1.7在房屋的溫度區段內，未設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。改進措施

結構布置時，在溫度區段內應使結構成為能保持空間穩定的獨立體系，按《門式剛架規程》CECS102第4.5.1條第1款設置支撐體系。3.2支撐體系常見問題3.2.1屋面橫向水平支撐與柱間支撐未布置在同一跨間內。改進措施原因分析：布置在同一跨間內的屋面橫向水平支撐和柱間支撐同門式剛架一道構成穩定的空間結構體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又方便于門式剛架結構的施工安裝。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第4.5.1條第2款和第4.5.2條第1款的規定，宜將屋面橫向水平支撐和柱間支撐同時布置在房屋溫度區段端部第一開間或第二開間，在布置柱間支撐的開間，宜同時布置屋面橫向水平支撐，如圖3.2.1所示。當無法布置在同一跨間時，可布置在相鄰跨間，有一定搭接區，但這種情況在溫度區段內只能是個別的，否則應對整個支撐系統重新合理布置。圖3.2.1門式剛架支撐布置示意圖圖3.2.1門式剛架支撐布置示意圖3.2支撐體系常見問題3.2.2屋面橫向水平支撐布置在房屋溫度區段端部第二開間，而在第一開間相應于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置未布置縱向剛性系桿。改進措施原因分析：房屋端墻(山墻)的風荷載或地震作用要靠屋面橫向水平支撐傳遞給房屋縱向柱間支撐。屋面橫向水平支撐布置在第二開間時，第一開間僅布置未按壓彎桿件驗算和加強的檁條，不足以傳遞端墻的風荷載或地震作用。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第4.5.2條第1款的規定，在房屋溫度區段的第一開間相應于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置布置滿足受壓桿件長細比要求和受壓（壓彎）桿件承載力要求的剛性系桿。如圖3.2.2所示。圖3.2.2門式剛架端開間屋面剛性系桿布置示意圖3.2支撐體系常見問題3.2.3屋面橫向水平支撐的豎腹桿未按剛性壓桿設計。改進措施原因分析：屋面橫向水平支撐的計算簡圖為簡支于有柱間支撐柱列的門式剛架柱頂的水平桁架，其交叉斜腹桿系柔性系桿，只能承受拉力，豎腹桿必須設計成剛性壓桿才能組成幾何不變體系，傳遞端墻的荷載或作用。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第4.5.2條第6款和第4.5.3條的規定，將屋面橫向水平支撐桁架的豎腹桿按壓桿設計；當檁條位于屋面橫向水平支撐桁架節點處擬由其兼作屋面橫向水平支撐的豎腹桿時，檁條應滿足對壓彎桿件的剛度和承載力要求，必要時應加強。如圖3.2.1所示。3.2支撐體系常見問題3.2.4屋面橫向水平支撐的節點未與抗風柱布置相應協調。改進措施原因分析：屋面橫向水平支撐桁架的節點布置在抗風柱處，可以使抗風柱柱頂的反力直接傳遞，避免剛架斜梁受扭。改進措施：

首先根據房屋的使用要求布置抗風柱，然后根據抗風柱柱頂位置布置屋面橫向水平支撐桁架的節點及支撐桿件；因為剛架斜梁允許在任意位置布置屋面橫向水平支撐的節點，屋面橫向水平支撐的交叉斜桿為柔性拉桿，與剛架斜梁的連接較為簡單，可以不必等間距布置，這是門式剛架與普通屋架不同之處。在抗風柱與剛架斜梁連接處，剛架斜梁下翼緣應設隅撐。如圖3.2.4所示。圖3.2.4抗風柱連接節點示意圖3.2支撐體系常見問題3.2.5屋面橫向水平支撐和柱間支撐采用圓鋼時，未設張緊裝置；當設有橋式吊車時，柱間支撐未采用型鋼支撐。改進措施原因分析：圓鋼支撐側向剛度小，安裝時會因自重而下垂，再加上圓鋼支撐初始彎曲和連接松弛等缺陷，不設張緊裝置就不能保證支撐始終處于張緊狀態，對門式剛架房屋的整體穩定性和整體剛度起不到應有的作用。當有吊車時，柱間支撐改而采用型剛支撐，也是為了保證門式剛架房屋的縱向剛度。改進措施：采用圓鋼支撐時，應按《門式剛架規程》CECS102和《薄壁型鋼規范》GB50018第9.2.2條的要求設置張緊裝置。有吊車時,柱間支撐應采用型鋼支撐；在8度及以上地震區或地震作用效應組合控制時，門式剛架房屋的屋面橫向水平支撐和柱間支撐亦應采用型鋼支撐。3.2支撐體系常見問題3.2.6在剛架轉折處(邊柱柱頂和屋脊、多跨房屋中間柱柱頂)，未沿房屋縱向全長設置剛性系桿。改進措施原因分析：在剛架轉折處設置剛性系桿，除了承受壓力和傳遞縱向水平力外，在安裝過程中可增加剛架的側向剛度，保證結構安全。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第4.5.2條第5款的規定，在剛架的邊柱柱頂和屋脊處及多跨房屋適當位置的中間柱柱頂處，均沿房屋全長設置通長的剛性系桿；不宜由加強的檁條代替剛架轉折處的剛性系桿，如圖3.2.1所示。3.2支撐體系常見問題3.2.7壓型鋼板薄壁型鋼檁條屋面，當檁條跨度大于4m時，未合理設置拉條、斜拉條及撐桿體系。改進措施原因分析：冷彎薄壁型鋼檁條通常采用Z型鋼和卷邊槽鋼檁條，由于其重心高，弱軸抗彎能力差。當檁條跨度大于4m時，應設置拉條、斜拉條及撐桿體系，以提高其側向剛度與承載力，減少其在安裝和使用階段的側向變形和扭轉。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第6.3.5條和6.3.6條的規定，當檁條跨度大于4m不大于6m時，應在檁條跨中設置一道拉條，當檁條跨度大于6m時，應在檁條跨度3分點處各設一道拉條，拉條宜設置在距檁條上翼緣1/3腹板高度范圍內。為了防止檁條向屋脊方向彎扭失穩，在設置拉條的同時，應在檐口處增設斜拉條和撐桿；為了承受屋面的坡向分力，在屋脊處(有天窗時在天窗處）亦應增設斜拉條和撐桿；當屋面坡面過大時，在檐口和屋脊之間的適當位置必要時也宜增設斜拉條和撐桿。當門式剛架跨度不大、屋面對稱屋脊布置且坡度較小時，屋脊處可不設斜拉條和撐桿。拉條應根據最大的屋面坡向分力按拉桿計算確定，撐桿則按壓桿設計，如圖3.2.7所示：圖3.2.7檁條間拉條布置示意圖3.3設計計算常見問題3.3.1剛架梁、柱高強度螺栓連接節點的端板，不滿足最小厚度16mm的要求。改進措施原因分析：剛架梁、柱連接節點通常假定按剛性連接節點設計，要保證連接節點與計算模型相符，傳力可靠，除滿足計算要求外，必須嚴格控制端板厚度不小于16mm，以保證端板有足夠的剛度。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.9條規定，設計剛架梁、柱連接節點端板時,如計算出的端板厚度不足16mm時,應取端板厚度≥16mm；工程習慣上，端板的厚度也不宜小于節點所用高強度螺栓的直徑d。同時，根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.11條規定，端板與剛架柱翼緣和斜梁翼緣的連接應采用全熔透對接焊，焊縫質量等級為二級；端板與剛架構件腹板的連接應采用角對接組合焊縫或與腹板等強的角焊縫。3.3設計計算常見問題3.3.2柱腳錨栓的直徑，不滿足不小于24mm的要求，且未設置雙螺帽。改進措施原因分析：剛架柱腳通常假設與基礎為鉸接相連，有吊車時則應采用剛接柱腳;柱腳錨栓直徑除按計算確定外，考慮到實際工程中可能會承受部分水平剪力等不利因素，其直徑不宜過小。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.18條規定，當計算出的柱腳錨栓直徑小于24mm時，應取24mm。一般情況下，剛架跨度不大于18m時,采用2個M24的錨栓；剛架跨度不大于27m時,采用4個M24的錨栓；剛架跨度不大于30m時,采用4個M30的錨栓。柱腳錨栓均應設雙螺帽，以防螺帽松動，影響柱腳安全可靠的工作。3.3設計計算常見問題3.3.3未復核有柱間支撐的柱腳錨栓在風荷載作用下的上拔力。改進措施原因分析：門式剛架房屋端墻(山墻)上的風荷載經由抗風柱、屋面橫向水平支撐等結構構件傳至柱間支撐，柱間支撐的最大豎向分力使與其相連的柱腳錨栓產生上拔力。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.19條規定，進行有柱間支撐的柱腳錨栓在風荷載作用下的上拔力計算。計算柱間支撐產生的最大豎向分力時，不考慮活荷載(或雪荷載)、積灰荷載和附加荷載的影響，恒荷載的分項系數應取1.0;計算柱腳錨栓的受拉承載力時，對Q235鋼錨栓，其抗拉強度設計值fat=140N/mm,錨栓的面積取螺紋處的有效截面面積。3.3設計計算常見問題3.3.4未復核柱腳底部水平剪力能否由底板與混凝土基礎間的摩擦力承受，當摩擦力不足時，應設柱腳抗剪鍵。改進措施原因分析：根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.20條規定，柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。此水平剪力可由柱腳底板與混凝土基礎間的摩擦力(摩擦系數可取0.4)或設置抗剪鍵承受。改進措施：按《門式剛架規程》的規定，復核柱腳底部的水平剪力是否可由柱腳底板與混凝土基礎間的摩擦力承受，當摩擦力不足時，柱腳底板下應加焊抗剪鍵。柱腳底部的水平剪力和摩擦力均應取可能的最不利的組合設計值。柱腳抗剪鍵的截面尺寸和連接焊縫應按混凝土的局部抗壓和抗剪鍵本身的彎剪承載力計算確定。3.3設計計算常見問題3.3.5檁條和墻梁設計計算時，未按《門式剛架規程》的附錄A計算風荷載，也未考慮風吸力的不利影響。改進措施原因分析：門式剛架輕型鋼結構房屋屬于低矮房屋范疇，進行風荷載計算時所需要的風荷載體形系數，由于我國現有的資料不完備,《門式剛架規程》CECS102建議采用美國MBMA手冊中的規定,并作為附錄A列于規程中。為和MBMA手冊配套，《門式剛架規程》要求將我國現行國家標準《荷載規范》GB50009的基本風壓值乘以綜合調整系數1.05。改進措施：進行門式剛架輕型鋼結構房屋檁條和墻梁設計計算時，取自《荷載規范》第7.1.2條的基本風壓值應乘以1.05的綜合調整系數，風壓高度變化系數按《荷載規范》第7.2.1條和第7.2.2條的規定采用，當高度小于10m時，按10m處的數值采用；風荷載體型系數，考慮內、外風壓最大值的組合，且含陣風系數，按《門式剛架規程》附錄A的A.0.2條的規定采用。在風吸力作用下，冷彎薄壁型鋼檁條下翼緣受壓時，當屋面能阻止檁條上翼緣側向位移和扭轉時，可偏安全地按《薄壁型鋼規范》GB50018的公式(8.1.1-2)進行驗算。墻梁的設計計算與檁條類同。3.3設計計算常見問題3.3.6門式剛架輕型鋼結構房屋的剛架立柱隨意改為鋼筋混凝土柱，仍按門式剛架結構體系進行設計，會造成工程事故。改進措施原因分析：門式剛架輕型房屋鋼結構是一種跨變結構，其斜梁和立柱可以是變截面的，也可以是等截面的，立柱與基礎的連接可以鉸接，也可以剛接，但斜梁與立柱必須剛接。鋼筋混凝土排架結構則不同，它的屋面主構件可以是鋼筋混凝土梁或鋼梁，也可以是鋼筋混凝土屋架或鋼屋架，并且與鋼筋混凝土柱頂鉸接，鋼筋混凝土柱腳則與基礎剛接。

顯然，這是完全不同的兩種結構體系。因此，按門式剛架輕型鋼結構設計的房屋，不應隨意將剛架立柱改為鋼筋混凝土柱。因為鋼材和鋼筋混凝土兩種材料在材性、剛度和承載力方面有很大差別，不能簡單代換，而且在柱頂，鋼結構的斜梁與鋼筋混凝土的柱是兩種不同材性的構件，很難實現剛接。所以隨意將門式剛架立柱改為鋼筋混凝土柱會導致結構嚴重不安全。改進措施：（1）不得隨意將門式剛架輕型鋼結構房屋的立柱改為鋼筋混凝土柱，也就是說不得隨意改變結構的材料和體系；

（2）當必須將門式剛架輕型鋼結構房屋的立柱改為鋼筋混凝土柱時，鋼筋混凝土柱必須與基礎剛接，鋼斜梁與柱頂應按能承受水平推力的鉸接連接進行構造設計，所構成的跨變排架結構應重新進行內力分析，除應重新驗算斜梁的承載力外，還應按承載力和柱頂位移限值確定鋼筋混凝土柱的截面尺寸和配筋，也應重新復核地基及基礎的承載力。3.3設計計算常見問題3.3.7屋面橫向水平支撐、柱間支撐、抗風柱及剛架結構連接節點(含柱腳連接節點及支撐構件連接節點)無計算書。改進措施原因分析：屋面橫向水平支撐、柱間支撐、抗風柱和剛架一道形成門式剛架結構的空間體系，共同承受屋面和墻面結構傳來的垂直荷載、水平荷載和地震作用，其構件和連接的承載能力必須滿足《門式剛架規程》CECS102第3.1.3條、第3.1.4條和第7.2節的要求。改進措施：在施工圖階段,設計單位的校審人員除校審門式剛架的計算書外，還應校審屋面橫向水平支撐、柱間支撐和抗風柱等主要受力構件的計算書，也應校審剛架結構體系各連接節點的計算書；計算書齊全后才可以連同施工圖圖紙一道送施工圖審查單位審查。支撐構件采用型鋼時，連接節點應采用焊接連接節點。3.4構造要求常見問題3.4.1檁條與剛架斜梁上翼緣連接處設置單板檁托未加焊加勁肋。改進措施原因分析：檁托除安裝時固定檁條防止檁條傾覆外，尚要承受檁條因荷載偏心產生的扭矩。因此檁托應有必要的剛度和承載力，以便對檁條端部提供扭轉約束。改進措施：根據《薄壁型鋼規范》GB50018第8.2.1條規定，垂直于斜梁上翼緣設置的單板檁托，應加焊側向加勁肋，以提高其對檁條端部扭轉的約束剛度。為了有效地約束檁條端部的扭轉，檁托高度不宜小于檁條高度的2/3。墻梁的支托宜參照檁托設計,如圖3.4.1所示。當屋面坡度及荷載均較小,且檁條高度也不大時，可采用單板檁托。單板檁托宜與剛架斜梁上翼緣坡口熔透焊。3.4構造要求常見問題3.4.2位于坡屋面坡頂的屋脊雙檁，未用型鋼或圓鋼相互連接。改進措施原因分析：門式剛架房屋通常采用實腹式冷彎薄壁型鋼檁條，并在屋脊處布置雙檁。屋脊雙檁間用型鋼或圓鋼相互連接形成一體共同受力，并同屋面拉條、斜拉條及撐桿組合，使屋面的整體性和坡向剛度大大提高。改進措施：根據《門式剛架規程》CECS102第7.2.12條屋脊雙檁間用型鋼相互連接時，可根據具體情況采用焊接或螺栓連接;用圓鋼相互連接時,應在每個連接點處檁條腹板兩側各設置一個鎖緊螺帽;雙脊檁間相互連接點的位置在檁條跨度的3分點處及拉條連接點處。如圖3.2.7和圖3.4.2所示。屋脊雙檁也可用撐桿(鋼管內設拉條)相互連接。圖3.4.2脊檁連接示意圖3.4構造要求常見問題3.4.3在剛架斜梁下翼緣受壓區和柱內側翼緣受壓區未設置保證其穩定的隅撐。改進措施原因分析：剛架梁、柱構件翼緣的局部穩定，在一般情況下系通過限制板件的寬厚比來保證；剛架梁、柱構件的整體穩定則由剛架的支撐系統提供的側向支承點通過計算來保證。