工程案例
業務范圍
門式剛架工程中一些技術問題的探討
發布時間：2014-07-15
提 要：探討了門式剛架結構在風吸力下的檁條下翼緣失穩，屋面板掀起及選型，承壓型高強螺栓，門式剛架設計中拼接點、腹板加肋、柱計算長度、支座節點、門式剛架合理跨度及吊車噸位等問題。關鍵詞：門式剛架 檁條 屋面板 拱板殼
一、檁條在向上風吸力下的下翼緣失穩
1.問題的提出
鋼結構規范及手冊的檁條規定都未考慮風向上的下翼緣失穩，拉條都是按圖1布置的，當時屋面還未采用彩鋼板屋面，坡度比較大，屋面比較重，拉條主要是平衡屋面荷載的水平力和對彎曲中心的扭轉，拉條也只要求在屋檐加水平支撐拉住。目前，屋面已很輕很平，幾次風災中都有屋面被掀起，有一些是由于受風吸力作用檁條下翼緣失穩而引起的，因此應引起關注。
2.屋面的蒙皮作用
對檁條在風吸力作用下的下翼緣失穩的驗算，薄壁型鋼規范是不考慮屋面蒙皮作用，計算結果很不經濟。屋面蒙皮作用國內外都在研究。蒙皮作用會提高門式剛架的承載力。如波蘭做的雙層網架（12m×12m，24m×24m）的足尺試驗，屋面波形板蒙皮作用可提高上弦承載力10%，提高下弦、腹桿承載力6%，對門式剛架承載力將會有更大的提高。但國外研究表明，準確計算蒙皮作用是不易的，計算參數對結構的形式和構造細部很敏感，必須進行足尺結構試驗才能確定這些參數。屋面蒙皮作用對檁條下翼緣失穩承載力影響很大，國外正致力于考慮在檁條下翼緣失穩時利用屋面蒙皮作用，但計算公式還不成熟。
彩板屋面蒙皮的抗剪能力對檁條上翼緣提供側向支撐是不成問題的。根據試驗，只有當屋面抗剪能力Q值小時才會因Q增加而增加檁條下翼緣的失穩承載力；而Q值達一定數值后，Q值增加不會使檁條承載力有明顯變化，屋面抗剪能力一般能達到此要求。因此屋面蒙皮作用對檁條下翼緣扭轉失穩的約束是影響檁條承載力的重要因素。
另外，屋面蒙皮作用也可用于門式剛架的平面外穩50定，即平面外穩定計算時，其平面外支點可以采用檁條之間距，而不是采用水平支撐的間距，由于此假定不同，各種程序會有不同的計算結果。墻板的蒙皮作用也是討論的問題，國外設計墻擦不考慮自重，不設拉條，比較簡單，應該說墻體蒙皮作用是可以考慮的，但絕不能省去柱間支撐，而且不宜采用圓鋼。
3.計算理論
關于檁條翼緣失穩的計算理論模型，國外主要有二種，一種是有限元法；另一種是將屋面板和受拉翼緣及部分腹板簡化為彈性地基，剩余的檁條腹板及受壓翼緣被簡化為支撐在彈性地基上的壓彎構件。國內門式剛架規程也是采用歐洲規范EC3-ENV-996規定的彈性地基的經典模型。目前，考慮風的吸力作用，檁條下翼緣穩定設計的方法有四種：
（1）按照薄壁型鋼規范計算，由于該規范未考慮屋面蒙皮作用，因此計算結果很保守，不適用。
（2）參考BHP、奧多Strimat公司的檁條設計手冊，這些手冊基本一樣，承載力用W01表達，其中下角0表示風向上，1是中間一個支點，二個支點即以W02表達，承載力為標準荷載，考慮了屋面蒙皮作用心這些澳大利亞設計手冊均是計算與試驗的結果，又經國外工程應用，我認為是可以參考的。
（3）按澳大利亞AS/NZS4600：1996規范計算，由于本規范在國內無法律效應，很不普及也難以應用。
（4）門式剛架規程是按照歐洲規范EC3-ENV-1996規定的，也考慮了屋面蒙皮作用，假定為彈性地基的典型模型，又具有法律效應，比較合理，應該采用。但我們對照ENV1993-1-2：1996/AC提出以下問題，有些檁條計算程序也存在這些問題。
①規程[1]附錄E中規定Ct1=130n是有特定條件的，根據文獻[2]，只有在b =55~57，螺釘3~4個/m，而連接件（即板與檁條連接件）間距e =2br，屋面與檁條的連接剛度又因采用的隔熱材料而削弱時，公式才適用。如果情況發生改變應按照etl=C100（b/100）來修正，C100取值參考表1。這里，b為屋面板翼緣寬度，br為波距（最大為185mm），螺釘直徑￠=6.3mrn，面板厚≥0.66mm。
②對失穩承載力影響最大的還是計算長度。根據文獻[2]，門式剛架規程中計算長度ey為拉條之間距離，應改為檁條自由翼緣承受壓應力之長度，對于簡支模條來說等于跨長l。這兩種說法對模條失穩承載力影響十分大，ey=l時，門式剛架規程中針對拉條對檁條下翼緣失穩公式考慮屋面扭轉約束的作用非常小，而從其他理論分析以及BHP設計手冊和試驗可知，拉條作用非常大。我們參考澳大利亞規范中的檁條計算，其ey 也是取拉條之間的距離。因此我們認為ey用拉條之間距離是合理的。
扭轉系數C100 表1
連接件間距e
C100（N••m/m）
btmax（mm）
e=br
e=2br
2 600
1 700
40
40
注：表中考慮有隔熱層
③規程CECS102：98關于抗扭彈簧剛度Ct的式（E.0.4-1）來自ENV1993-1-3：1996，存在明顯的印刷錯誤，正確的表達應為下式：
Ct=1/（1/Ct1+1/Ct2）
④拉條的構造非常重要，根據BHP設計手冊，拉條只用于>10。的屋面，且應拉在下翼緣邊，并每隔一個問距用C形壓桿頂住防止扭動，較平屋面只要求二個檁條之間用C形壓桿頂住即可。因此檁條拉條布置絕不能按鋼結構手冊的布置，一定要保證拉條不動。為了驗證拉條的作用，我們與天津大學在奧多公司資助下做了檁條下翼緣失穩的整體試驗，試驗中檁條間距2.5m，檁條跨度5.0m，中間加一根拉條（圖2）。采用雙跨屋面板帶3根檁條做整體試驗，得到扭轉系數：有拉條時，F=l.22KN•cm/Cm.rad，F=Ph2/￠b，￠=δ/h（圖3）；無拉條時，F=0.7 KN•cm/Cm•rad。說明拉條對扭轉約束影響很大。
試驗加載到23KN/m時由于檁條的拉條未拉住而提前破壞，破壞處正在拉條附近，扭轉失穩破壞跡象明顯，拉條的作用很明顯，如果拉條不變形，承載力將提高很多。
我們根據以上4種設計方法進行計算對比，選用C254×76×20.6×2.4，跨度4.75m，間距2.5m的簡支檁條（中間加拉桿），鋼材屈服應力G450MPa，設計屈服應力0.9×450MPa，反算檁條標準線荷載q。
BHP、奧多、Stramit公司的檁條設計手冊中選用c250×2.4，按l =4.8m查得：單跨q=5.07KN/m，雙跨q=5.09 KN/m門式剛架規程計算結果：q=4.18KN/m；澳大利亞規范計算結果：q=4.21 KN/m；薄壁型鋼規范計算結果較為保守。
以上計算結果說明，門式剛架規程及設計手冊均是可以采用的，但希望盡快做足尺整體試驗，不斷積累數據，進一步提出合理公式。對于跨度較大的檁條，選用上海大通鋼結構有限公司的高頻焊接輕型H型鋼來解決下翼緣失穩是經濟合理的。
二、屋面板的選用
1.屋面板的抗風措施
近年來連續幾次發生臺風掀起屋面，如1996年湛江，1999年廈門14級臺風。這些臺風都已超出規范限定的范圍，值得注意。臺風掀起屋面板的主要原因之一是屋面板的搭接問題。板的橫向搭接主要有穿透式、暗扣式（EP一個扣件與檁條連接，板則與扣件扣上）和咬邊式（見圖4）。穿透式的缺點主要是螺栓穿透處易滲漏；暗扣式雖然避免了螺栓穿透，但必須用高強鋼材并用專用的高強鋼材軋機成型，保證形狀準確并富有彈性，才能達到扣緊吻合，使搭接處能留一個防止毛細現象的空槽。
臺風掀起屋面更主要的原因是不注意門窗的抗臺風設計，臺風中門被吹開，尤其卷簾門強度更差。有的窗玻璃靠膩子固定，風向外吹，膩子根本頂不住，門窗大開，向上的風力大大超過設計所考慮的。有的屋面被掀起也可能是風吸力下檁條失穩所致。
當然屋面板本身也有加強和改進的必要，如暗扣式屋面被掀起的原因，有的是扣件未采用高強鋼材，扣不住板；有的是扣件邊上未用螺栓與檁條連接，使扣件受彎破壞；有的在邊區約1/6房屋寬度范圍內未加抗臺風螺栓，或抗臺風螺栓墊圈面積太小，結果被拔出。
采光板更是暗扣式滲漏與可能被拔起的重點，因為采光板與屋面板橫向搭接處由于二者膨脹不同，很易形成縫，而采光板剛度又比較小，附加檁條不夠，采光板更柔更易形成縫，大風大雨即灌進去：采光板強度又不如面板，更易使螺栓拔出。所以建議在面板與采光板橫向搭接處上面再壓一根鋁條，下墊膠條用螺栓及大墊圈牢牢壓住，采光板跨度應不大于1.0m。總之暗扣式用于抗臺風時應特別注意防掀起與漏雨，應采取上述加強措施。
咬邊式從外形看對防漏與防掀起會有利些，但也要注意采用的咬邊形式，如層層卷邊比較可靠，但加工安裝較麻煩；圖4單層咬邊處剛度不夠，不吻合又松動，很難加膠粘結，大風大雨就會漏進去，咬不好也會被掀起。而國外有些產品用得很好，咬邊式一般只能是沒有彩色涂層的鋼板，彩色涂層在咬邊時會剝落，咬邊式在返修時也有困難，不能小面積拆換，只能整個翻修。
2.彩板的優選
高強鋼的板材硬度大，不易變形，能保證搭接尺寸的吻合，使防水可靠，進口板多數用G550。
熱鍍鋁鎊合金進口板大多采用55%鋁，43.5%鋅，15%矽的合金成份，合金平均含量在200g/m2以上。鋁合金化表面有一層不溶解于水的非活性氧化膜，防止氧化，其性能比鐵活潑，比鋅遲飩，電化學作用比鋅慢，鋁表面的致密氧化鋁比鋅耐蝕2倍，十分穩定，有陽極保護作用。國外也有熱鍍鋅鋁，即5%鋁，95%鋅，認為雖裸板耐蝕不如鍍鋁鋅，但在剪板成型保護方面較優，總之這二種合金化均比熱浸鋅要耐蝕。國產板目前均不具備生產熱鍍鋁鋅合金的條件，仍為熱鍍鋅板或熱鍍鋅合金化板。
涂層目前有聚脂、硅改性聚脂、聚偏二氟乙烯PVDF（或叫氟碳PVF2）和塑料溶膠，一般國產均為聚脂，進口板有聚脂、聚偏二氟乙烯。目前關于耐久性尚無統一說法，但從退色看，聚偏二氟乙烯15年后退色20%，而聚脂7年后退色50%，可說明聚偏二氟乙烯的質量。但聚偏二氟乙烯一定要占70%，其余30%為丙烯酸。有的進口板聚偏二氟乙烯只占50%，這樣性能就比聚脂好不了多少。塑料溶膠介于聚脂與聚偏二氟乙烯中間，用得不多。
3.彩板的防漏
屋面滲漏水吸人保溫層，使荷載會危及結構安全，設計應予以注意。
板的縱向搭接有的認為用長板不搭接最好，根據我們的經驗也不能越長越好，太長，由于溫度影響板的伸縮引起螺栓擴孔，也會滲漏，另外也擔心現場軋制，有的會減少軋制次數，或損傷涂層，不能保證質量。我們現在工程中用到35m一個搭接，效果很好，但建議搭接處高低錯開，并填以厚50mm的硅膠。
最近我們處理工程中發現冷凝水造成滲漏，正確的做法是保溫層用鋁箱作隔汽層隔絕水汽，而有的工程錯誤地取消了隔汽層，并錯誤地將保溫層鋪在下板上，而下板搭接方向又錯誤地使冷凝水滲下。
曲面彩板尤其是球殼的彩板是防滲的難題，特別是在球的頂部，現在比較多的工程均用BHP的脊板做法，即橫向搭接邊是切成斜邊在凹橫向板部分彎折成堤，然后上加蓋板，在球頂部分則用三道防線即板彎折成堤，得泰復式町膠，封口板PE上加脊板。我們在珠海體育館第一次采用了上述做法，效果尚可，但圓頂做法還是相當復雜，處理不好很易滲漏。現在比較好的辦法是用夾心板做成平坦屋面，上鋪瑞士獨資生產的防水材料（在濟南），可以有各種顏色。香港會展大廳用了效果很好，是比較可靠美觀的防水做法。
三、門式剛架的承壓型高強螺栓
我國鋼結構規范規定，摩擦型高強螺栓要求測定扭矩系數、摩擦系數以控制預拉應力。孔徑要求比螺栓直徑大2mm。承壓型高強螺栓除保留上述要求外，還要求孔徑比螺栓直徑不得大于0.5~1.0mm，減少孔徑，可以在非動力荷載下允許螺栓有極小滑動，并在摩擦與頂緊共同作用下使承壓型高強螺栓承載力比摩擦型的提高30%，但國內實際工程從未用過承壓型高強螺栓。日本也取消了承壓型高強螺栓。德國雖用承壓型高強螺栓，但制定了專門驗收標準，以免出現質量問題。
門式剛架規程參考了美國經驗，采用了承壓型高強螺栓或摩擦型高強螺栓。但美國門式剛架所謂的承壓型高強螺栓內涵與我國不同。美國要求孔徑比螺栓直徑不大于1.5mm，不要求試驗扭矩系數及摩擦系數，只要求螺栓用人工擰緊，然后再轉l/4圈即可，目前不少美國公司在我國也是如此做法。這說明可能美國習慣于不用扭短系數，因為扭短系數與預拉力也只是間接關系，并不一定可靠；更主要的可能還是對門式剛架的高強螺栓要求并不需太高，與大跨重型鋼結構及橋梁的高強螺栓應有所區別。因為門式剛架畢竟是輕鋼結構，跨度小，受力小，尤其門式剛架是受彎構件，高強螺栓不是靠摩擦傳遞很大的拉壓力。螺栓主要是受拉并承受一些剪力，在拼接處一般剪力很小，僅在支承處剪力稍大。斜支座本身可承受很大的剪力，直支座一般上面還有蓋板或在下面加托板承受剪力，即使沒有這些輔助件，剪力也都比較富裕，對門式剛架高強螺栓顯然不需要象現在這樣與大跨度鋼結構要求一樣。
四、門式剛架設計中的幾個小問題
1.拼接點的位置要不要在計算前定下來
拼接點是為了拼裝分段，拼接點處剛度與其他斷面一致，計算時根本不需考慮拼接點，但構造中卻應該在拼接點處將二塊拼接板伸出斷面外，并在斷面外布置一排拼接螺栓，這樣的構造其剛度基本與截面接近，但也要注意將拼接板加厚。
2.腹板縱向肋
有的工地反映，設計院已滿足規程5.2.1 .3集中力下的腹板穩定要求，不需設縱向肋，但為了安全仍加了縱向肋，給加工增加了很多麻煩。設計方面可能認為門式剛架對腹板高厚比放寬太多，所以不太放心，加之門式剛架規程條文說明又加了“具體設計應根據制造廠的技術條件采用適當高原比”，估計這些說明使設計者更加保守。門式剛架規程腹板高厚比是參照歐洲規范EC3-ENV-1993-1-l及美國規范AISC一1986/89，規范考慮屈曲后強度只是形式上與我國冷彎薄壁型鋼規范GBJ18-87表達一致，不必要加縱向肋只要加橫向肋即可，因為腹板應力場要求豎桿。條文說明中所提制造廠技術條件是指板很薄時，如3mm，對于焊接及平整的技術有一定難度，國內公司技術水平又不具備，因此就提醒一下應根據具體條件在腹板很薄時要適當選用寬厚比并不是要加縱向肋。
梁柱節點區滿足不了規程（7.2.10.1），（7.2.10.2）的要求需要設置斜加勁肋時，規程中對斜加勁肋的算法是不明確的，文獻[2]推薦了以下算法，斜加勁肋的面積Ast=（1.2M/hbf一fvtchc/f）/cosθ（mm2），公式是假定斜加勁肋相當于斜腹桿來加強腹板承受剪力。式中，M為彎矩（kN•m），f為強度設計筐（N/mm2），fv為剪力強度設計值（N/ mm2）。
3.門式剛架的計算長度
門式剛架規程5.2.4側移計算時，計算長度L =2s；而在6.1.3穩定計算時，計算度L =s。因此有的人不理圖解，弄不清楚。
規程5.2.4計算長度指側移時搖擺柱不起作用，因此L即為全跨，四跨時L =4s。規程6.1.3計算長度指柱的穩定，搖擺柱使約束梁彎曲，且對柱的穩定有幫助，因此不論二跨還是四跨均取L =s。
4.支座節點
門式剛架規程未給出支座節點詳圖，有的工地仍按網架（殼）做成過渡板，孔加大并加墊板。門式剛架支座可以簡單些，孔不加大，不加過渡板，因為網架（殼）剛度較大，有尺寸誤差后很難調整，而門式剛架柱是柔性結構，尺寸差了可以調。但要注意的是平板網架的支座螺栓僅是構造要求，不考慮承受的水平力與彎矩，而門式剛架支座螺栓是承受彎矩的，門式剛架支座即使假定為鉸接，根據試驗實測，由于柱中間所加螺栓也能由于構造產生彎矩，約為固接彎矩的一中，必須驗算。
五、門式剛架的合理跨度及吊車噸位
門式剛架由于輕巧簡潔、施工方便而發展迅速，跨度越用越大，吊車噸位也越來越重。我們認為任何結構均有最經濟合理的使用范圍，對于跨度大于50m及大面積建筑，網架（殼）還是有其優越性，抗震好眾所周知，火災時網架可能不倒塌，如陜西體育館等，而門式剛架遭受局部火災時會成片倒塌，有些機庫采用門式剛架也犧牲了懸掛吊車的使用功能，不盡合理。在地震地區，在所費不多的情況下，大跨度結構還是宜用網架（殼）。
我們在處理工程時也發現吊車噸位為30t的門式剛架結構由于搖晃以致不能使用。門式剛架規程4.1.8規定不大于20t吊車，但在總則1.0.2又放寬到間距6m不大于30t。我們認為主要是門式剛架柱頂位移按國外標準比鋼結構規范放寬很多，而我國安裝水平又往往達不到國外水平，如吊車安裝誤差引起卡軌，據實測其吊車水平力將比規范的大3~4倍，上述工程設計很摳，完全按規程最低標準，門式剛架就會晃動，但有的工程大噸位吊車仍按鋼結構規范控制側移就沒有問題。所以建議15t以上吊車應該對側移從嚴控制，不能按門式剛架規程，并要增加屋面的縱向水平支撐及吊車梁的水平制動措施。
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