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提   要：探討了門式剛架結(jié)構(gòu)在風(fēng)吸力下的檁條下翼緣失穩(wěn)，屋面板掀起及選型，承壓型高強(qiáng)螺栓，門式剛架設(shè)計中拼接點(diǎn)、腹板加肋、柱計算長度、支座節(jié)點(diǎn)、門式剛架合理跨度及吊車噸位等問題。

關(guān)鍵詞：門式剛架 檁條 屋面板 拱板殼

一、檁條在向上風(fēng)吸力下的下翼緣失穩(wěn)

1.問題的提出

     鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范及手冊的檁條規(guī)定都未考慮風(fēng)向上的下翼緣失穩(wěn)，拉條都是按圖1布置的，當(dāng)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(zhuǎn)，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(fēng)災(zāi)中都有屋面被掀起，有一些是由于受風(fēng)吸力作用檁條下翼緣失穩(wěn)而引起的，因此應(yīng)引起關(guān)注。

2.屋面的蒙皮作用

     對檁條在風(fēng)吸力作用下的下翼緣失穩(wěn)的驗算，薄壁型鋼規(guī)范是不考慮屋面蒙皮作用，計算結(jié)果很不經(jīng)濟(jì)。屋面蒙皮作用國內(nèi)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(wǎng)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(zhǔn)確計算蒙皮作用是不易的，計算參數(shù)對結(jié)構(gòu)的形式和構(gòu)造細(xì)部很敏感，必須進(jìn)行足尺結(jié)構(gòu)試驗才能確定這些參數(shù)。屋面蒙皮作用對檁條下翼緣失穩(wěn)承載力影響很大，國外正致力于考慮在檁條下翼緣失穩(wěn)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(cè)向支撐是不成問題的。根據(jù)試驗，只有當(dāng)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(wěn)承載力；而Q值達(dá)一定數(shù)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(dá)到此要求。因此屋面蒙皮作用對檁條下翼緣扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)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(wěn)50定，即平面外穩(wěn)定計算時，其平面外支點(diǎn)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(jié)果。墻板的蒙皮作用也是討論的問題，國外設(shè)計墻擦不考慮自重，不設(shè)拉條，比較簡單，應(yīng)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(guān)于檁條翼緣失穩(wěn)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(gòu)件。國內(nèi)門式剛架規(guī)程也是采用歐洲規(guī)范EC3-ENV-996規(guī)定的彈性地基的經(jīng)典模型。目前，考慮風(fēng)的吸力作用，檁條下翼緣穩(wěn)定設(shè)計的方法有四種：

     （1）按照薄壁型鋼規(guī)范計算，由于該規(guī)范未考慮屋面蒙皮作用，因此計算結(jié)果很保守，不適用。

     （2）參考BHP、奧多Strimat公司的檁條設(shè)計手冊，這些手冊基本一樣，承載力用W01表達(dá)，其中下角0表示風(fēng)向上，1是中間一個支點(diǎn)，二個支點(diǎn)即以W02表達(dá)，承載力為標(biāo)準(zhǔn)荷載，考慮了屋面蒙皮作用心這些澳大利亞設(shè)計手冊均是計算與試驗的結(jié)果，又經(jīng)國外工程應(yīng)用，我認(rèn)為是可以參考的。

     （3）按澳大利亞AS/NZS4600：1996規(guī)范計算，由于本規(guī)范在國內(nèi)無法律效應(yīng)，很不普及也難以應(yīng)用。

     （4）門式剛架規(guī)程是按照歐洲規(guī)范EC3-ENV-1996規(guī)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(yīng)，比較合理，應(yīng)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(guī)程[1]附錄E中規(guī)定Ct1=130n是有特定條件的，根據(jù)文獻(xiàn)[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(fā)生改變應(yīng)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(wěn)承載力影響最大的還是計算長度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，門式剛架規(guī)程中計算長度ey為拉條之間距離，應(yīng)改為檁條自由翼緣承受壓應(yīng)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(wěn)承載力影響十分大，ey=l時，門式剛架規(guī)程中針對拉條對檁條下翼緣失穩(wěn)公式考慮屋面扭轉(zhuǎn)約束的作用非常小，而從其他理論分析以及BHP設(shè)計手冊和試驗可知，拉條作用非常大。我們參考澳大利亞規(guī)范中的檁條計算，其ey 也是取拉條之間的距離。因此我們認(rèn)為ey用拉條之間距離是合理的。

扭轉(zhuǎn)系數(shù)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(guī)程CECS102：98關(guān)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(dá)應(yīng)為下式：
　　　　　　　　　　　　　　　　Ct=1/（1/Ct1+1/Ct2）

     ④拉條的構(gòu)造非常重要，根據(jù)BHP設(shè)計手冊，拉條只用于>10。的屋面，且應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)在奧多公司資助下做了檁條下翼緣失穩(wěn)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(zhuǎn)系數(shù)：有拉條時，F(xiàn)=l.22KN•cm/Cm.rad，F(xiàn)=Ph2/￠b，￠=δ/h（圖3）；無拉條時，F(xiàn)=0.7 KN•cm/Cm•rad。說明拉條對扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)失穩(wěn)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(jù)以上4種設(shè)計方法進(jìn)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(yīng)力G450MPa，設(shè)計屈服應(yīng)力0.9×450MPa，反算檁條標(biāo)準(zhǔn)線荷載q。
BHP、奧多、Stramit公司的檁條設(shè)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(guī)程計算結(jié)果：q=4.18KN/m；澳大利亞規(guī)范計算結(jié)果：q=4.21 KN/m；薄壁型鋼規(guī)范計算結(jié)果較為保守。

     以上計算結(jié)果說明，門式剛架規(guī)程及設(shè)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(shù)據(jù)，進(jìn)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(jié)構(gòu)有限公司的高頻焊接輕型H型鋼來解決下翼緣失穩(wěn)是經(jīng)濟(jì)合理的。

二、屋面板的選用

1.屋面板的抗風(fēng)措施

     近年來連續(xù)幾次發(fā)生臺風(fēng)掀起屋面，如1996年湛江，1999年廈門14級臺風(fēng)。這些臺風(fēng)都已超出規(guī)范限定的范圍，值得注意。臺風(fēng)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(diǎn)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(qiáng)鋼材并用專用的高強(qiáng)鋼材軋機(jī)成型，保證形狀準(zhǔn)確并富有彈性，才能達(dá)到扣緊吻合，使搭接處能留一個防止毛細(xì)現(xiàn)象的空槽。
     臺風(fēng)掀起屋面更主要的原因是不注意門窗的抗臺風(fēng)設(shè)計，臺風(fēng)中門被吹開，尤其卷簾門強(qiáng)度更差。有的窗玻璃靠膩?zhàn)庸潭ǎ�風(fēng)向外吹，膩?zhàn)痈�本頂不住，門窗大開，向上的風(fēng)力大大超過設(shè)計所考慮的。有的屋面被掀起也可能是風(fēng)吸力下檁條失穩(wěn)所致。

     當(dāng)然屋面板本身也有加強(qiáng)和改進(jìn)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(qiáng)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(qū)約1/6房屋寬度范圍內(nèi)未加抗臺風(fēng)螺栓，或抗臺風(fēng)螺栓墊圈面積太小，結(jié)果被拔出。

     采光板更是暗扣式滲漏與可能被拔起的重點(diǎn)，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(fēng)大雨即灌進(jìn)去：采光板強(qiáng)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(yīng)不大于1.0m。總之暗扣式用于抗臺風(fēng)時應(yīng)特別注意防掀起與漏雨，應(yīng)采取上述加強(qiáng)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(jié)，大風(fēng)大雨就會漏進(jìn)去，咬不好也會被掀起。而國外有些產(chǎn)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(yōu)選

     高強(qiáng)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(jìn)口板多數(shù)用G550。

     熱鍍鋁鎊合金進(jìn)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(xué)作用比鋅慢，鋁表面的致密氧化鋁比鋅耐蝕2倍，十分穩(wěn)定，有陽極保護(hù)作用。國外也有熱鍍鋅鋁，即5%鋁，95%鋅，認(rèn)為雖裸板耐蝕不如鍍鋁鋅，但在剪板成型保護(hù)方面較優(yōu)，總之這二種合金化均比熱浸鋅要耐蝕。國產(chǎn)板目前均不具備生產(chǎn)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(chǎn)均為聚脂，進(jìn)口板有聚脂、聚偏二氟乙烯。目前關(guān)于耐久性尚無統(tǒng)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(zhì)量。但聚偏二氟乙烯一定要占70%，其余30%為丙烯酸。有的進(jìn)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(jié)構(gòu)安全，設(shè)計應(yīng)予以注意。

     板的縱向搭接有的認(rèn)為用長板不搭接最好，根據(jù)我們的經(jīng)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(kuò)孔，也會滲漏，另外也擔(dān)心現(xiàn)場軋制，有的會減少軋制次數(shù)，或損傷涂層，不能保證質(zhì)量。我們現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(fù)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(dāng)復(fù)雜，處理不好很易滲漏。現(xiàn)在比較好的辦法是用夾心板做成平坦屋面，上鋪瑞士獨(dú)資生產(chǎn)的防水材料（在濟(jì)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(qiáng)螺栓

     我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定，摩擦型高強(qiáng)螺栓要求測定扭矩系數(shù)、摩擦系數(shù)以控制預(yù)拉應(yīng)力。孔徑要求比螺栓直徑大2mm。承壓型高強(qiáng)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(qiáng)螺栓承載力比摩擦型的提高30%，但國內(nèi)實(shí)際工程從未用過承壓型高強(qiáng)螺栓。日本也取消了承壓型高強(qiáng)螺栓。德國雖用承壓型高強(qiáng)螺栓，但制定了專門驗收標(biāo)準(zhǔn)，以免出現(xiàn)質(zhì)量問題。

     門式剛架規(guī)程參考了美國經(jīng)驗，采用了承壓型高強(qiáng)螺栓或摩擦型高強(qiáng)螺栓。但美國門式剛架所謂的承壓型高強(qiáng)螺栓內(nèi)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(shù)及摩擦系數(shù)，只要求螺栓用人工擰緊，然后再轉(zhuǎn)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(xí)慣于不用扭短系數(shù)，因為扭短系數(shù)與預(yù)拉力也只是間接關(guān)系，并不一定可靠；更主要的可能還是對門式剛架的高強(qiáng)螺栓要求并不需太高，與大跨重型鋼結(jié)構(gòu)及橋梁的高強(qiáng)螺栓應(yīng)有所區(qū)別。因為門式剛架畢竟是輕鋼結(jié)構(gòu)，跨度小，受力小，尤其門式剛架是受彎構(gòu)件，高強(qiáng)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(qiáng)螺栓顯然不需要象現(xiàn)在這樣與大跨度鋼結(jié)構(gòu)要求一樣。


四、門式剛架設(shè)計中的幾個小問題

1.拼接點(diǎn)的位置要不要在計算前定下來

     拼接點(diǎn)是為了拼裝分段，拼接點(diǎn)處剛度與其他斷面一致，計算時根本不需考慮拼接點(diǎn)，但構(gòu)造中卻應(yīng)該在拼接點(diǎn)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(gòu)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(shè)計院已滿足規(guī)程5.2.1 .3集中力下的腹板穩(wěn)定要求，不需設(shè)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(shè)計方面可能認(rèn)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(guī)程條文說明又加了“具體設(shè)計應(yīng)根據(jù)制造廠的技術(shù)條件采用適當(dāng)高原比”，估計這些說明使設(shè)計者更加保守。門式剛架規(guī)程腹板高厚比是參照歐洲規(guī)范EC3-ENV-1993-1-l及美國規(guī)范AISC一1986/89，規(guī)范考慮屈曲后強(qiáng)度只是形式上與我國冷彎薄壁型鋼規(guī)范GBJ18-87表達(dá)一致，不必要加縱向肋只要加橫向肋即可，因為腹板應(yīng)力場要求豎桿。條文說明中所提制造廠技術(shù)條件是指板很薄時，如3mm，對于焊接及平整的技術(shù)有一定難度，國內(nèi)公司技術(shù)水平又不具備，因此就提醒一下應(yīng)根據(jù)具體條件在腹板很薄時要適當(dāng)選用寬厚比并不是要加縱向肋。

     梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)滿足不了規(guī)程（7.2.10.1），（7.2.10.2）的要求需要設(shè)置斜加勁肋時，規(guī)程中對斜加勁肋的算法是不明確的，文獻(xiàn)[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(dāng)于斜腹桿來加強(qiáng)腹板承受剪力。式中，M為彎矩（kN•m），f為強(qiáng)度設(shè)計筐（N/mm2），fv為剪力強(qiáng)度設(shè)計值（N/ mm2）。

3.門式剛架的計算長度

     門式剛架規(guī)程5.2.4側(cè)移計算時，計算長度L =2s；而在6.1.3穩(wěn)定計算時，計算度L =s。因此有的人不理圖解，弄不清楚。

     規(guī)程5.2.4計算長度指側(cè)移時搖擺柱不起作用，因此L即為全跨，四跨時L =4s。規(guī)程6.1.3計算長度指柱的穩(wěn)定，搖擺柱使約束梁彎曲，且對柱的穩(wěn)定有幫助，因此不論二跨還是四跨均取L =s。

4.支座節(jié)點(diǎn)

     門式剛架規(guī)程未給出支座節(jié)點(diǎn)詳圖，有的工地仍按網(wǎng)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(wǎng)架（殼）剛度較大，有尺寸誤差后很難調(diào)整，而門式剛架柱是柔性結(jié)構(gòu)，尺寸差了可以調(diào)。但要注意的是平板網(wǎng)架的支座螺栓僅是構(gòu)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(jù)試驗實(shí)測，由于柱中間所加螺栓也能由于構(gòu)造產(chǎn)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(fā)展迅速，跨度越用越大，吊車噸位也越來越重。我們認(rèn)為任何結(jié)構(gòu)均有最經(jīng)濟(jì)合理的使用范圍，對于跨度大于50m及大面積建筑，網(wǎng)架（殼）還是有其優(yōu)越性，抗震好眾所周知，火災(zāi)時網(wǎng)架可能不倒塌，如陜西體育館等，而門式剛架遭受局部火災(zāi)時會成片倒塌，有些機(jī)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(qū)，在所費(fèi)不多的情況下，大跨度結(jié)構(gòu)還是宜用網(wǎng)架（殼）。
   
     我們在處理工程時也發(fā)現(xiàn)吊車噸位為30t的門式剛架結(jié)構(gòu)由于搖晃以致不能使用。門式剛架規(guī)程4.1.8規(guī)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(rèn)為主要是門式剛架柱頂位移按國外標(biāo)準(zhǔn)比鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范放寬很多，而我國安裝水平又往往達(dá)不到國外水平，如吊車安裝誤差引起卡軌，據(jù)實(shí)測其吊車水平力將比規(guī)范的大3~4倍，上述工程設(shè)計很摳，完全按規(guī)程最低標(biāo)準(zhǔn)，門式剛架就會晃動，但有的工程大噸位吊車仍按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范控制側(cè)移就沒有問題。所以建議15t以上吊車應(yīng)該對側(cè)移從嚴(yán)控制，不能按門式剛架規(guī)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。