门刚结构房屋设计和审查常见问题分析
来源：连云港市建设施工图审查中心
发布日期：2015-10-10
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常州市建设工程施工图设计审查中心 徐荣华
摘要：回顾近三十年来，门式刚架轻型钢结构房屋快速发展、广泛应用的历史，结合工程实例和从业经验，对门式刚架轻型房屋结构施工图设计和审查中，出现的适用范围、荷载取值、设计计算、构造措施、施工安全等方面的常见问题作分析，以便使工程技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。
关键词：适用范围；荷载取值；设计计算；构造措施；施工安全；门刚结构
目前，随着我国经济的迅速发展，工业建筑中的厂房、仓库，商业建筑中的物流仓储、超市、批发市场，及部分体育馆、展示馆等大跨单层建筑，均广泛使用门式刚架结构；因其具有柱距尺寸大，施工速度快，综合造价低和适用范围广等优点。在门式刚架结构房屋施工图设计中，仍然存在一些对规范理解不清和过分追求经济效益的情况，部分工程甚至存在结构安全隐患，本文对施工图设计和审查常见问题进行分析，强调设计和审查人员应注意的地方，以确保工程的经济性和安全性。
1 适用范围
1.1 吊车设置
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[1]CECS102：2002 (2012年版)(以下简称《门规》CECS102)第1.0.2条规定，起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋，当有需要并采取可靠技术措施时，起重量允许不大于5t。
施工图审查中发现，仍有按《门规》CECS102设计的工程采用大于5t悬挂式起重机，采用30t桥式吊车,个别工程甚至工作级别达A6，未见有可靠技术措施，此类问题是违反强制性条文的，不应存在。
1.2 使用环境
《门规》CECS102不适用于强侵蚀性介质环境中的房屋。由于结构构件的截面较薄，用于此种环境是不适合的。设计和审查中应注意业主委托设计时，未确定工程使用功能，而大多为暂定工程防火等级的工业园区供出租的标准厂房，设计和审查应在施工图中注明《门规》CECS102此条要求，避免日后业主错误使用，产生不必要的安全和法律责任。
1.3 多层建筑
鉴于不少多层建筑的顶层采用了门式刚架轻型房屋钢结构及其屋盖，《门规》CECS102第1.0.2条的条文说明中明确，该部分结构的设计、制作和安装可参照本规程执行，但应进行整体分析，包括抗震分析，考虑其下部结构对顶层内力和位移的影响，设计中很多工程均未进行分析计算。
1.4 建筑尺寸
《门规》CECS102第4.2.2条规定，门式刚架的平均高度宜采用4.5～9m；当有桥式吊车时不宜大于12m。此条未强制说明高度限制，但《门规》CECS102附录A.0.2条，对房屋坡度α不大于10°、房屋平均高度不大于18m、房屋高宽比不大于1、檐口高度不大于房屋最小水平尺寸，风荷载体型系数有采用规定。设计中少数工程高度超过了18m，也有高宽比大于1的。有的设计采取了将风荷载设计值适当增大的方法，但这是缺乏依据的。而此种情况，风荷载均应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》[2]GB50009-2012（以下简称《荷规》GB50009)的规定计算，方可保证结构安全。
2 荷载取值
2.1 屋面活载
目前，我国建筑工程屋面活荷载设计取值，涉及多本规范，《荷规》GB50009表5.3.1规定，不上人屋面均布活荷载标准值0.5kN/ m2,注：1中注明，不上人的屋面，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0.3kN/ m2。《钢结构设计规范》[3]GB50017-2003 (以下简称《钢规》GB50017 )第3.2.1条注：对支承轻屋面的构件或结构（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0.3kN/ m2。《门规》CECS102第3.2.2条注：对受荷水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小0.3kN/ m2，三本规范均列为强条。设计和审查发现刚架计算中，部分设计人员在雪荷载标准值大于0.3 kN/ m2（如0.35 kN/ m2）的地区仍按0.3 kN/ m2计算，此情况也不满足《荷规》GB50009第5.3.3条和《门规》CECS102 第3.2.5条1款要求，存在一定的安全隐患。
2.2 风荷载
《门规》CECS102第3.2.3条规定，垂直于建筑物表面的风荷载标准值，应按本规程附录A的规定计算。檩条和墙梁设计计算时未按本条计算风荷载，也未考虑风吸力的不利影响。基本风压w0，未按现行国家标准《荷规》GB50009的规定值乘以1.05采用，构件计算有安全问题。
2.3 屋面雪载
《门规》CECS102第3.2.1条规定，屋面雪荷载应按现行国家标准《荷规》GB50009的规定采用。《荷规》GB50009第7.2.1条规定屋面积雪分布系数按表7.2.1采用，审查中发现符合《荷规》GB50009表7.2.1项次9的，有女儿墙及其他突起物的屋面临女儿墙一定范围未按规范考虑积雪分布系数，刚架和檩条雪荷载取值均偏小。
2.4 吊车荷载
《荷规》GB50009第6.1.2条3款规定，吊车横向水平荷载应考虑正反两个方向的刹车情况，审查发现有计算制动桁架时，仅考虑正向刹车荷载，制动桁架受拉，设计强度可满足要求，但考虑反向刹车荷载，制动桁架将受压并控制设计，计算表明制动桁架平面外受压稳定不足，存在安全问题。
3 设计计算
3.1 抗震验算
《门规》CECS102第3.1.4条条文说明中规定，当抗震设防烈度为7度时，一般不需做抗震验算；当为8度及以上时，横向刚架和纵向框架均需做抗震验算。条文说明中规定由地震作用效应组合控制设计时，尚应针对轻型钢结构的特点采用相应的抗震构造措施。审查中部分工程未见有采用下列规范中建议的抗震构造措施：如构件之间的连接应尽量采用螺栓连接；斜梁下翼缘与刚架柱的连接处加腋提高该处的承载力，该处附近翼缘受压区的宽厚比适当减小；柱脚的抗剪、抗拔承载力适当提高，柱脚底板设抗剪键，并采取提高锚栓抗拔力的相应构造措施；支撑的连接按支撑屈服承载力的1.2倍设计等。甚至存在8度及以上设防烈度工程未进行抗震验算，地震作用工况下均存在安全隐患。
3.2 刚架计算
《门规》CECS102第4.1.2条规定，多跨刚架中间柱与斜梁的连接可采用铰接，即设成摇摆柱，实际工程中存在部分项目摇摆柱顶和斜梁焊死，这样计算简图与实际不符，造成工程事故。出现这种情况有如下两种可能：一是个别设计人员认为中间柱均设成摇摆柱，结构体系的冗余不够，增加结构的冗余，按摇摆柱计算以后人为修改，好心办坏事；二是施工人员贪图省事觉得焊接很方便，对铰接和刚接的力学性能不清晰。审查中也有个别项目摇摆柱的计算长度系数取值小于1.0，不符合《门规》CECS102第6.1.3条。
《门规》CECS102第5.1.2条规定，变截面门式刚架宜按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应。当有必要且有条件时，可考虑屋面板的应力蒙皮效应。基于规程这一条很多项目为了追求经济效益，不管工程的条件是否满足规程，均采用应力蒙皮效应设计计算，设计人员应充分理解规程及条文解释的要求，方可在设计中考虑蒙皮效应。
3.3 檩条设计
《门规》CECS102第6.3.4条、第7.2.13条规定，檩条可设计成连续构件及明确连续搭接的要求，审查中发现有檩条的搭接长度和连接螺栓的直径不满足《门规》CECS102第7.2.13条规定，个别项目存在计算为连续，施工图为简支。
《门规》CECS102第6.3.5条规定，当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑杆。审查中发现有7.5m跨仅设一道拉条，甚至有设一道拉条计算中按两道算。
以上两种情况，前者可能仅是构造不满足，后者存在计算模型与施工图不一致，有一定的安全隐患，墙梁设计中同样存在这些问题。
《门规》CECS102第6.3.7条3款规定，在风吸力作用下，当屋面能阻止上翼缘侧向位移和扭转时，受压下翼缘的稳定性应按本规程附录E的规定计算。审查中发现有面板的基板厚度小于0.66mm或施工图未注明厚度的，仍按附录E计算檩条，此设计不满足《门规》CECS102附录E条文说明，檩条截面尺寸严重偏小（如设计中7.5m跨1.5m间距采用C160×60×20×2.5，经审查修正为C180×60×20×2.5）。
3.4 柱脚验算
《门规》CECS102第7.2.19条规定，进行柱脚锚栓抗拔计算和设计时，与柱间支撑相连的柱要考虑支撑竖向分力的影响，设计中未按要求复核上拔力，《钢规》GB50017第8.4.14条和《门规》CECS102第7.2.20条规定，柱脚底部的水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承受。规程的意思是要通过计算，若不满足要求，则须设置抗剪键，审查中既有没有计算书不设抗剪键，也有没有计算书设抗置剪键，这样的施工图给人感觉特别随意。
4 构造措施
4.1 结构材料
门刚结构有关结构材料方面设计文件常存在的问题，一是不符合《钢规》GB50017第1.0.5条和《门规》CECS102第8.1.4条，在钢结构设计文件中，未注明所采用的钢材牌号、连接材料型号和对钢材所要求的力学性能等。二是不符合《钢规》GB50017第3.3节和《门规》CECS102第3.3.1条第二款“如门式刚架、吊车梁和焊接的檩条和墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。”Q345A含碳量可满足焊接要求，但焊接性能不佳，重要结构，如起重量较大时的吊车梁，宜采用Q345B及其以上等级的钢材，设计文件中虽注明，但针对性不强。
4.2 支撑布置
《钢规》GB50017第8.1.4条和《门规》CECS102第4.5.1，4.5.2条规定，体现支撑的设置应满足门刚结构工程形成独立的空间稳定及几何不变结构体系，而实际设计中经常出现下列不满足规范：如屋面横向水平支撑与柱间支撑布置不在同一开间，不满足《门规》CECS102第4.5.1条2款；屋面横向水平支撑布置在端部第二开间，未在第一开间的相应位置设置刚性系杆，不满足《门规》CECS102第4.5.2条1款；当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，柱间支撑未采用型钢支撑，不满足《钢规》GB50017第8.1.4条和《门规》CECS102第4.5.5条规定。以上这些问题似乎不是什么大问题，但是一旦某个问题存在使结构体系有缺陷，有点结构概念的设计人员就知道后果的严重性。
4.3 隅撑设计
《门规》CECS102第4.1.1条规定，主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘出平面的稳定性，由与檩条或墙梁相连接的隅撑来保证，《门规》CECS102第6.1.6条6款规定，斜梁不需计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度的16 倍，有相当多的设计人员对规程要求理解不够清晰，主要反映在隅撑设置间距未经计算，某工程斜梁翼缘（Q345钢）200mm宽，隅撑最大间距为200×16 =2641mm ，檩条间距为1500mm，隅撑间隔檩条设置，实际隅撑间距3000mm，不满足计算要求。
4.4 连接设计
《门规》CECS102第7.2.9条规定，端板的厚度t不应小于16mm，且应根据支承条件计算，审查中发现有端板厚度小于16mm，计算公式与支承条件不一致的设计；《门规》CECS102第7.2.21条规定，梁与柱端板连接节点的刚度计算要求，此条文为新增条文，部分设计人员尚未重视，若梁与柱端板连接节点的刚度与理想刚节点相差较大，仍按理想刚架分析内力，这样的工程存在安全隐患。
5 施工安全
5.1 制作安装
《门规》CECS102第8.1.4条规定，钢构件所用钢材、连接材料和涂装材料应具有质量合格证书，并符合设计文件的要求和国家现行有关标准的规定。此条为强制性条文，规程虽未具体规定，但施工图中如涉及钢材、连接和涂装材料不作具体要求，存在安全隐患。
《门规》CECS102 第8.2.5条9款规定，刚架在施工中应及时安装支撑，必要时增设缆风绳充分固定。实际工程施工中经常遇到一阵风将未完成安装且未设缆风绳的刚架成片刮倒，造成较大损失，因此设计文件中应加以强调。
5.2 隔热涂装
《钢规》GB50017第8.9.5条规定，受高温作用的结构，应根据不同情况采取防护措施，且该规范第8.9.4条规定，对钢结构防火应进行设计，如建筑物的耐火等级、构件耐火极限和防火做法及要求，均应满足现行规范，审查中发现很多工程设计文件缺此内容。
《门规》CECS102第9.2.2条规定，设计时应对构件的基材种类、表面防锈等级、涂层结构、涂层厚度、涂装方法、使用状况以及预期耐蚀寿命等综合考虑后，提出合理的除锈方法和涂装要求，而设计文件未作要求的，实际工程使用会影响结构构件安全。
结语
总之，通过对门刚结构房屋设计和审查常见问题的讨论和分析，希望设计和审查人员能思路清晰，概念清楚，同时能准确把握规范和规程的要求，使结构设计安全、合理、经济。
参考文献
[1] CECS102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 [S]．北京：中国计划出版社，2003．
[2] GB50009-2012 建筑结构荷载规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．
[3] GB50017-2003 钢结构设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2003．
编者：本文由东南大学设计院孙逊总工审阅，在此表示感谢。