门式刚架轻型钢结构在大空间建筑中的应用研究

　　对大空间建筑物，人们通常的设计按传统往往采用网架（网壳）+钢筋混凝土支承结构的形式。因为钢筋混凝土结构相对施工简单造价低，但由于施工周期长，工程量大，并且网架结构的内力受支座沉陷和温度变化的影响较为敏感，制作和安装精度要求较高，工程质量难以保证。

　　门式刚架轻钢结构能有效利用材料，构件尺寸小，重量轻，而且可以在工厂批量生产，保证质量，工地连接简便迅速，施工周期短。正由于这些特点，广泛地应用在一般工业与民用建筑中，其优越性和经济效益是不言而喻的。而随着设计技术、制作安装技术的日益提高，越来越多的大空间建筑采用门式刚架轻钢结构，而且经济效益十分显著。如我国刚刚建成的首都机场机修库，跨度达到72m，高度达到28m多。

　　1工程背景中央电视台涿州影视基地2号摄影棚长度为108m，宽度为42m，要求净空高度24m.建筑面积为4600m2，是典型的大空间建筑。由于工作环境情况的特殊要求，设马道，灯具，通风，空调等。

　　设计中考虑到此项工程的特殊性，如大空间、大跨度，受力情况复杂（多悬挂荷载）等特点，先后作成两套方案的比较，即网架+钢筋混凝土柱系统和门式刚架钢结构系统。

　　2结构方案的布置21柱网布置，轴线布置对门式刚架轻型钢结构而言，任何一项设计，其设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标，而设计用钢量和柱距的大小是密切相关的，在此次设计比较中，选用柱距6m的做法。

　　由于钢结构伸缩缝的距离为纵向温度区段不大于300m，横向温度区段不大于150m，因此本工程采用钢结构无须设置分割缝。而露天混凝土结构伸缩缝距离纵向温度区段不大于70m，因此采用钢筋混凝土结构必须设置分割缝，结构处理比较复杂。2.2梁柱截面形式及选取从刚架的截面形式来分，梁柱截面可以有实腹**作者：王元清男1963年7月出生博士副教授式和格构式，也可以是变截面和等截面，为避免梁柱构件的繁杂，给施工带来不便，采用了实腹式工字型。而在混凝土结构中，采用大截面格构柱，施工工程量大，工序较多。

　　2.3墙面和屋面结构形式在钢结构中，用轻质屋面材料如压型钢板、夹芯板等代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板，并采用轻型墙体材料使复杂结构轻型化。而混凝土方案中由于网架高度达到3m，为了确保室内净高24m，因此整体结构高度为27m，而且由于网架分割3m不能直接布置屋面板，必须采用辅助梁+檩条体系，造成工程量增大。

　　4基础的布置形式采用传统的柱下单独基础的形式，考虑采用非对称偏心来根据基础由于轴力小，弯矩大带来的受力偏心。

　　此次结构方案的布置，将一些新型材料运用到工程设计和建造中来，过去厚重的预制屋面板被轻型板材所取代，这些板材具有重量轻，造型新颖美观，保温隔热，隔声性能良好，强度、刚度、稳定性能较好，以及预制装配化程度高，施工快捷等许多优点，因此得以采用，改变了传统的“肥梁、胖柱，重盖，深基”做法。

　　3结构分析方法31计算模型和参数11计算模型以一榀刚架为单元，将刚架附属结构简化为荷载处理，既突出主要的影响因素，又大大简化了计算。构件布置见。

　　3.1.2计算参数计算荷载包括：永久荷载，墙体荷载，风荷载。

　　荷载取值根据门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：8）规定，按琢州地区的情况考虑，永久荷载根据以往的工程经验（包括刚架，支撑，屋面板，吊顶，马道梁等），折算24.0kN/m均布荷载，墙体荷载150.0kN集中荷载，风荷载迎风面1. 6kN/m均布荷载，背风面一22kN/m均布荷载。

　　0.3.刚架钢材为Q345（16Mn），螺栓采用摩擦型高强度8.8级，抗风柱及其它构件采用Q235. 3.2计算工况和方法3.2.1计算工况按照承载能力极限状态进行的内力计算，借鉴以前的工程事例，在方案阶段采用荷载工况：2X恒载效应标准值+0. 1.4X活载效应标准+1.4X风荷载效应标准值；2X恒载效应标准值+ 1.4X风荷载效应标准值；2X恒载效应标准值+ 1.4X活载效应标准值。

　　3.2.2计算方法是一个综合性有限元软件包，该软件包反映了国际上20世纪90年代微型计算机图象处理和CAD领域的*新技术，是进行数值计算研究和设计的有力工具。

　　3.3计算控制因素1变形限制轻型钢结构门式刚架，当采用砖墙作为围护结构时，柱顶的水平位移与柱高的比值为1八00，按甲方要求应达到1八50.有吊顶的刚架斜梁容许挠度为1/240，按甲方要求应达到1/250. 2截面参数控制门式刚架轻钢“规程”规定：工字型截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t比不应大于15，工字型截面构件腹板计算高度h0与其厚度tw比，柱不应大于250，梁不应大于300. 4方案比较种方案的比较如表1所列。

　　除了明显的经济效益外，门式刚架钢结构系统方案与混凝土+网架方案比较还有如下特点：施工质量易控制：在混凝土梁柱体系的浇筑中，垂直度和标高的控制较难。按“规范”规定，柱高大于10m时，其垂直度偏差不应大于1八000柱高且不大于20mm，而该工程采用混凝土双肢柱，柱高达30m，只有单向联系梁，位移难以控制并且网方案一：网架十钢筋混凝土柱系统方案二：门式刚架钢结构系统1网盖系统用钢量/1：1 2吊顶系统用钢量：采用悬挂梁加钢板网30kg/m2X84X42=105.84t门式刚架用钢量：道具间：截面为1合计用钢量：2吊顶系统用钢量：采用悬挂梁加钢板网30kg/m284X42=105.84t 3钢结构部分造价：网架（螺栓球节点）000元/t普钢6000元/t合计：网架158.普钢53. 5抗风柱：6屋面支撑：7柱间支撑：8钢结构部分造价：单价为6合计4下部混凝土柱结构：造价190万元5地基部分结构：造价300万元9地基结构部分：造价250万元网架+钢筋混凝土柱系统总造价门式刚架钢结构系统总造价S=617艺=725万元万元注：①钢结构用量按截面大小乘轴线尺寸所得，并考虑1.1的构造系数；钢结构价格按现行北京市场价格而定（含安装）其它按北京市建筑定额而定；网架+钢筋混凝土柱系统工程量由清华大学建筑设计研究院架拼装时，由于现场拼装平台的不平整，使得组装网架误差较大，而且吊装时极易造成网架变形，网架就位时网架尺寸误差或下部支承结构的误差造成无法就位而采取强拉硬顶的方法强迫就位，使杆件弯曲，这些都能造成网架质量降低。在门式刚架体系中，构件在工厂批量预制，工地安装采用高强度的螺栓连接，简便而容易保证质量。

　　施工工期短：由于网架采用现场拼装后整体提升，且必须等到混凝土梁柱浇筑，强度达到一定要求后。而门式刚架方案中，基础施工与构件工厂加工是同步进行，构件整体吊装工作量小。

　　地震作用减弱：考虑地震作用时，其周期T=2n（GS）1/2，在混凝土+网架体系中，由于构件的长度，截面尺寸均较大，自重较大，并且顶部位移较难控制，而且由于混凝土属于抗压性能好而抗拉性能差，造成抗震性能不好。而在门式刚架体系中，构件的长度，截面尺寸均较小，自重较小，并且钢结构的抗拉和抗压性能相同，塑性和韧性均好，适合承受动力荷载，有较好的抗震性能。

　　充分利用建筑空间：在混凝土+网架体系中，由于网架结构复杂，建筑，供水供暖所需管道只能布置在网架下部，加了结构的高度，在这项方案中，柱的设计高度为30m.在门式刚架体系中，建筑，供水供暖所需管道可以布置在梁高范围内，而不用加结构的高度，在这项方案中，柱的设计高度为节约能源：由于工作的需要，在摄影棚室内温度需要控制，按现今空调的控温能力是由空间范围大小决定，由于两种方案的设计高度不同所带来的对空调功率要求不同，其节省的能源数量所带来的效益是可观的。

　　基础工作量减少：由于在混凝土+网架方案中，计算所得基础截面轴力，弯矩相比门式刚架大许多，基础截面轴力，弯矩大所带来的设计，施工量大，从而加了基础部分的工期、造价。

　　取消变形缝设置：在混凝土+网架体系中，伸缩变形缝的*大间距为70m.而且在高低跨的分割处，由于受力不同，柱子的截面不同，也需要设置变形缝。故沿长度方向上设两道变形缝，通常采用双柱分割缝，造成施工困难，在门式刚架体系中，伸缩变形缝的*大间距为300m，而且在高低跨的分割处，搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔，并且在该处将屋面板局部弯成n字型，即可以满足胀缩的需要。

　　在一些特殊结构如大跨度，超高度结构中，轻钢结构比钢筋混凝土结构更经济实用，值得推广使用。