近年来, 建筑类国家标准规范不断更新, 人们对材料的利用更加充分, 但仍有部分规范由于各方面原因不能及时调整, 这就仍然需要结构设计人员对规范的来龙去脉了解透彻。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》 (GB 51022—2015) ^[1] (简称门规) 、《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) ^[2] (简称抗规) 、《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) ^[3] (简称荷载规范) 已经更新, 《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[4] (简称钢结构规范) 还在使用2003年版。

　　 本文主要基于PKPM设计软件, 针对门式刚架轻型钢结构, 分别从不上人轻钢屋面活荷载取值、构件应力、位移、长细比、耗钢量、合理的布置方式、构造连接方式等常见问题展开论述。适当引用朱炳寅专家的设计建议, 希望能对设计人员的工作有所帮助。

　　 钢结构规范第3.2.1条规定, 设计钢结构时, 荷载标准值按现行荷载规范的规定采用。注释内容为:对支承轻钢屋面的构件或结构 (檩条、屋架、框架等) , 当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60m²时, 屋面均布活荷载标准值应取为0.3k N/m²。条文说明中又注明了这个取值仅适用于只有一个可变荷载的情况, 当有两个及以上可变荷载考虑荷载组合值系数参与组合时 (如尚有积灰荷载) , 屋面活荷载仍应取为0.5k N/m²。此处只举例积灰荷载, 关于其他哪些荷载可列为活荷载没有说明。

　　 荷载规范第3.1.1条第2款中规定, 可变荷载包括楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等。说明钢结构规范中受荷水平投影面积超过60m²的屋面均布活荷载标准值取为0.3k N/m², 仅适用于只有一个可变荷载的情况, 不可能在露天环境中存在, 它只可能是在封闭厂房中局部建设的低矮的轻钢屋面结构。平时设计的轻钢屋面厂房大多数都是露天屋面, 那么它的不上人屋面活荷载标准值该如何取值?

　　 荷载规范第5.3.1条表注1中规定, 对于不上人屋面, 当施工或维修荷载较大时, 应按实际情况采用;对不同类型的结构应按有关设计规范的规定采用, 但不得低于0.3k N/m²。其第5.3.3条也注明, 不上人屋面均布活荷载可不与雪荷载和风荷载同时组合。门规第4.1.3条内容为:当采用压型钢板轻型屋面时, 屋面按水平投影面积计算的竖向活荷载的标准值应取0.5 k N/m², 对承受荷载水平投影面积大于60m²的刚架构件, 屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3 k N/m²。其第4.5.1条第1款规定, 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑, 应取两者中较大值。现行荷载规范、门规对于轻钢不上人屋面活荷载的取值说法要比钢结构规范的明确, 考虑的因素更全面。另外PKPM软件编写者也在门式钢架二维设计活荷载自动布置模块中有普通活荷载和雪荷载选项, 二者取不利值, 风荷载有独立输入模块。故受荷水平投影面积大于60m²的轻钢屋面活荷载标准值已有下限不小于0.3k N/m², 如果雪荷载比0.3k N/m²大, 就取雪荷载。以上是对于刚架构件的计算。

　　 对于支承轻钢屋面板的檩条的活荷载取值, 应分两种情况考虑:1) 外露屋面;2) 在封闭厂房内部的屋面。对于第一种情况, 仅有一个可变荷载情况, 这种情况显然不存在;对于第二种情况, 檩条受荷面积超过60m²的情况也很少^[5]。所以, 檩条支承的轻钢屋面均布活荷载取值按0.5k N/m²。

　　 PKPM的SATWE设计信息中, 钢构件截面净毛面积比设为0.85, 门规第3.1.7条规定结构构件的受拉强度应按净截面计算, 受压强度应按有效净截面计算, 稳定性应按有效截面计算, 变形和各种稳定系数均可按毛截面计算。钢结构规范中第3.5.2条规定计算结构或构件的变形时, 可不考虑螺栓或铆钉孔引起的截面削弱, 这个净毛面积比只会影响构件应力, 而不会影响变形, 因为影响构件应力的净截面模量W_n及净截面面积A_n全是由净面积得出的, 影响变形的毛截面惯性矩I是由毛截面计算得出的, 在PKPM中改变净毛面积比后, 结构位移输出结果不变, 而钢构件应力比改变。

　　 单层门式刚架房屋的自重较小, 抗震设防烈度为8度及以上时, 横向刚架需做抗震验算。设计经验表明, 当抗震设防烈度为7度时, 一般不需做抗震验算。门式刚架一般用变截面构件, 其有可能在几个截面同时或接近同时出现塑性铰, 不宜利用塑性铰出现后的应力重分布, 但抗震设防烈度为8度 (0.2g) 及以下的情况时, 即使按设防烈度的地震动参数进行弹性计算, 也经常出现由非地震组合控制厂房框架受力的情况。厂房框架的延性及用钢量的影响因素在于构件的宽厚比, 用性能化的设计方法分别按“高延性、低弹性承载力”或“低延性、高弹性承载力”的思路确定板件宽厚比。当构件的强度和稳定的承载力满足高承载力即2倍多遇地震作用下的要求 (γ_GS_GE+γ_Eh2S_E≤R/γ_RE) 时, 可采用现行钢结构规范弹性设计阶段的板件宽厚比限值, 即C类 (具体规定见钢结构规范第4.3节及第5.4节) , 其中:γ_G为重力荷载分项系数;S_GE为重力荷载代表值的效应;γ_Eh为水平地震作用分项系数;S_E为地震作用效应;R为结构构件承载力设计值;γ_RE为承载力抗震调整系数。当强度和稳定的承载力均满足中等承载力即1.5倍多遇地震作用下的要求 (γ_GS_GE+γ_Eh1.5S_E≤R/γ_RE) 时, 按表中B类采用;其他情况按表1中A类采用。其中, A类为塑性状态, C类为弹性状态, B类介于弹性和塑性状态之间。

　　 有的工程要求梁翼缘与端板连接采用熔透焊, 事实上, 当梁与端板连接采用熔透焊时, 端板必定变形。此时, 施工单位一般采用火焰烤平, 有的工程中往往不平整就连接, 既增加造价又影响结构安全。实际工程中, 由于门架截面采用的是超屈曲截面, 地震作用下应采用弹性承载力设计思路。门规第10.1.3条规定:刚架构件的翼缘与端板或柱底板的连接, 当翼缘厚度大于12mm时宜采用全熔透对接焊缝;对其他情况宜采用等强连接的角焊缝或角对接组合焊缝。规范明确翼缘厚度大于12mm厚度可采用熔透焊, 且用词为“宜”而不是“应”, 对工程施工标准的要求有了放松并给出了指导性意见。工程中适当用角焊缝代替全熔透焊, 每年可以节约相当大的电量。

　　 门架边榀抗风柱可设为上端铰接、下端固接, 也可设为两端铰接。门架为平面内稳定、平面外不稳定的结构。门架纵向设置柱间支撑, 用于抵抗风荷载及纵向吊车刹车力。对于轻钢门架现通过实例分析抗风柱的合理布置。

　　 某轻型门架钢结构仓库, 跨度16m, 纵向柱距6m, 纵向全长42m, 柱高6m, 基础顶标高-0.5m, 边榀门架设一根抗风柱, 两侧纵向柱距间各设一道圆钢支撑, 抗震设防烈度8度, 设计基本地震加速度为0.2g, 设计地震分组为第一组, 地震反应谱特征周期为0.35s, 场地土类别为Ⅱ类, 基本风压为0.4 k N/m², 基本雪压为0.35 k N/m², 地面粗糙度类别为B类, 标准设防类。

　　 若采用抗风柱上端铰接、下端固接, 门架中抗风构件在完全弹性状态下工作, 抵抗其受荷面积内风荷载, 其余部分由两侧纵向柱间支撑分担, 抗风柱长细比按≤180取值。通过PKPM计算, 抗风柱截面为H (200~350) ×180×4×8, 门架纵向柱间支撑用12的Q235B圆钢即可, 使用12圆钢15kg。抗风柱与柱间支撑共用钢约2 000kg。若将抗风柱改为上、下两端铰接, 将抗风柱看做摇摆柱, 则其只承受竖向力不承受侧向荷载。风荷载全部由纵向柱间支撑承担, 抗风柱为H (200~350) ×150×4×8, 柱间支撑采用18的Q235B圆钢, 使用18圆钢34kg。抗风柱与柱间支撑共用钢1 776kg。故在此案例中, 抗风柱两端铰接布置可节约钢材。另外, 门架的围护结构具有蒙皮效应, 对减小风荷载作用下的结构侧移有利, 故采用抗风柱两端铰接, 柱间支撑抵抗风荷载, 是有安全裕度的。

　　 门规第6.1.3条规定, 当未设置柱间支撑时, 柱脚应设计成刚接, 柱应按双向受力进行设计计算。这条可理解为门架结构不但有单榀之间通过支撑连接的形式, 还能设计成双向门架形式, 这种结构只有在不允许设置任何支撑的时候使用, 也可以认为钢框架柱与门架梁连接, 钢框柱与门架梁连接节点及钢框柱按塑性设计, 门架梁按弹性状态设计。刚架侧向位移计算时, 应两方向各自抽出一榀验算。

　　 对荷载规范、门规、钢结构规范、抗规的条文分析理解以及PKPM实例设计分析, 可得出如下结论:1) 受荷水平投影面积大于60m²的轻钢屋面活荷载标准值不小于0.3k N/m², 且与雪荷载比较, 取不利值;檩条支承的轻钢屋面均布活荷载取值按0.5k N/m²;2) 钢结构净毛面积比不影响结构位移;3) 门架在弹性状态下工作, 板件宽厚比、高厚比限值放宽;4) 梁柱与端板连接可适当用角焊缝代替全熔透焊缝;5) 抗风柱可两端铰接设计;6) 门架不设柱间支撑时可采用柱脚刚接、柱双向受力进行设计计算。