高海拔地区门式刚架轻钢结构设计中若干问题的探讨

青海省建设厅勘察设计处

［摘要］ 由于高海拔地区特殊的自然气候条件和地理环境，在这些地区的门式刚架轻钢结构设计中有一些问题或细节容易被忽视。本文针对问题从结构材料的选用、相关数据及系数的调整、结构体系的构造措施以及钢构件的防腐要求等方面入手确保门式刚架轻钢结构的设计合理、经济、安全。

［关键词］ 高海拔地区 门式刚架轻钢结构 设计

一、概述

近几年来，轻钢结构因其结构体系简单、设计施工难度低、施工速度快周期短、工程造价较为低廉等优点，在青藏高原地区得到了广泛应用。在一些高海拔地区（海拔约3000m～4500m）新建矿井（区）的建设中，轻钢结构尤其是门式刚架轻钢结构倍受青睐，在某种程度上基本取代了轻型钢筋混凝土排架结构。但是这些地区有其特殊的自然气候条件和地理环境，因此在平时的设计中有一些问题或细节是容易被忽视的，其主要表现在：1、钢材品种的选用；2、有关地理环境和地形条件的数据及系数的调整；3、结构支撑体系的布置；4、钢结构构件的防腐及耐久性处理。

二、钢材品种的选用

钢结构构件要提供较高的工作可靠度，除了钢材的强度保证，还应有较好的其他工作指标和工艺技术指标，如焊接性能、抗脆性和疲劳性能、极限塑性和抗裂纹扩展性能等。材质对脆性破坏的影响主要体现在钢材本身的塑性和韧性，而这又取决于钢的化学组成、晶体结构以及冶炼方法。研究表明，低合金钢的抗冷脆性能比低碳钢高，而低碳钢中的镇定钢、半镇定钢和沸腾钢其抗冷脆性能依次降低。

研究表明，青藏高原冬季长、夏季短。而且冬季地表温度大部分均在0℃以下，在一些高海拔地区年平均气温在－2℃～－4℃左右, 冬季年平均气温在－24℃～－26℃左右。因此在低温环境下防止钢材的脆性破坏，正确选择结构用钢材显得至关重要。

根据规范¹及技术措施²，门式刚架结构作为承受静荷载及间接动荷载的重要承重结构，钢材选用时应根据具体的工作环境温度选择。当工作环境温度高于－20℃时，钢材可以选用Q235B·Z、Q345A（或B）、Q390A（或B）；当工作环境温度低于等于－20℃时，钢材可以选用Q235B·Z、Q345A、Q390A。

在高海拔地区常年的低温环境中，这类门式刚架结构（尤其是设有桥式吊车且起重量较大的门式刚架结构）的钢材选用建议适当从严。刚架钢材建议优先选用镇定钢（Q235B·Z）或低合金钢（Q345），不要使用半镇定钢和沸腾钢；一些承受比较大的动力荷载的构件（如吊车梁等）建议优先选用低合金钢（Q345）；一些次要构件和非焊接构件如刚架支撑、柱间支撑等可以选用镇定钢Q235B（或A），但是Q235A钢材建议慎重选择使用。因为Q235A的含碳量不作为交货条件，其实际意义是因其含碳量过大构件发生脆性破坏时，钢材生产厂家不承担任何法律责任。

对于需要验算疲劳的焊接构件钢材（尤其是吊车梁），设计中要明确提出相应结构工作温度的冲击韧性合格保证。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具有可靠性能的保证，是间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加荷速率（冲击）和重复荷载等因素导致脆断的能力。这一点在实际工程设计中容易被忽视。

在焊接H型钢和成品热轧H型钢之间根据实际工程情况做出合理选择。门式刚架轻钢结构的技术经济指标与其钢柱钢梁的截面大小密不可分。一般地，当截面小于400×200mm时成品热轧H型钢较为便宜，当截面大于等于400×200mm时焊接H型钢更显经济优势，并且这还与翼缘和腹板的钢板厚度直接相关。所以在做工程设计时，了解相关型钢的技术经济指标也是非常重要的。

三、有关地理环境和地形条件的数据及系数调整

青藏高原是由亚洲板块和印度洋板块冲撞隆起形成，地理环境和地形条件多样复杂，局部小气候特征明显，在设计中主要体现在风荷载和雪荷载的取值上。许多矿区地处山区，局部地区短时间的恶劣天气（大风、雨雪等）时有发生，在风荷载和雪荷载的取值上要根据当地实际气象资料情况予以计算，分别按照孰高原则与荷载规范取值对比取舍，而不应拘泥于荷载规范规定的一般值或最小值。计算风荷载时还要考虑当地地形条件对风压高度变化系数的修正系数η：

1、对于山峰和山坡，其顶部B处的修正系数可按下述公式采用：

式中：——山峰或山坡在迎风面一侧的坡度；当＞0.3时，取＝0.3；

——系数，对山峰取3.2，对山坡取1.4；

H——山顶或山坡全高（m）；

Z——建筑物计算位置离建筑物地面的高度，m；当Z＞2.5H时，取z＝2.5H。

对于山峰和山坡的其他部位，可以按照山脚处的修正系数η＝1，山坡间的修正系数按η的线性插值确定。

2、山间盆地、谷地等闭塞地形 η＝0.75～0.85；

对于与风向一致的谷口、山口 η＝1.20～1.50。

由此可见，这个修正系数η对风压高度变化系数的影响还是比较大的，从而影响风荷载标准值w_k的计算值并最终影响结构计算的荷载取值的大小，这对于门式刚架轻钢结构尤其是一些敏感部位（如雨棚、檐口等）显得尤为重要。在一些钢结构设计软件中，并没有体现修正系数η的调整。因此在实际工程设计中不能过多的依赖软件计算，关键构件、节点和一些敏感部位还要手工验算。

四、结构支撑体系的布置

门式刚架轻钢结构中，支撑虽然不是主要构件，但却是连接主要承重结构从而使其组成刚强整体的重要组成部分。适当有效地布置支撑体系，使结构具有足够的强度、刚度和稳定性，保证结构的正常使用是非常重要的。对于门式刚架轻钢结构而言，结构支撑体系主要包括刚架间支撑、柱间支撑、大跨度（6m及以上）檩条间支撑及隅撑等。目前有的工程设计忽视了这些方面是可能存在安全隐患的。

门式刚架应在各榀梁柱节点间及斜梁中节点间设置钢管支撑，钢管支撑一般为φ89×3～φ111×5；在两端端跨两榀刚架钢管支撑间加设斜向张紧圆钢，圆钢一般为φ12～φ16。

柱间支撑一般按照受拉构件考虑，一般为张紧的圆钢，圆钢一般为φ14～φ16。当设有桥式吊车且起重量较大时,应采用角钢或型钢。采用角钢支撑时其设置方法为：牛腿以下为双角钢支撑，以不等边角钢的长边焊接在柱两侧的翼缘上，并在两片支撑间设置短角岗系杆连接；牛腿以上为单角钢支撑，焊接在柱腹板中间。角钢或型钢的具体截面需计算确定。

檩条间拉条与支撑的设置及檩条与斜梁下翼缘之间隅撑的设置是保证整体稳定的重要措施。跨度大于6m的檩条（包括墙檩间）应设置拉条和支撑，拉条一般为φ12圆钢；在檐口的檩条间应设斜拉条及撑杆，撑杆一般为直拉条外套钢管；隅撑宜采用单角钢（一般为∠50×3）端部弯折与斜梁下翼缘（或柱内翼缘）螺栓连接，或在距翼缘不大于100mm处与腹板处相连，夹角宜为45°；在屋脊刚架斜梁节点两侧和檐口刚架斜梁与柱翼缘交接点附近，应至少各设置一道隅撑。如果由于特殊原因不方便设置隅撑时，应采取其他可靠措施保证梁柱翼缘不出现屈曲。

五、防腐及耐久性处理

众所周知，钢结构的防锈蚀是一个难题。尤其对于高海拔地区，自然气候条件比较极端，门式刚架轻钢结构设计中要选择合理的屋面排水措施、合适的构件材料、正确的除锈方法和除锈等级，明确涂料与涂装要求以及涂装施工的质量检验要求。

当轻钢结构的屋面采用有组织排水时，由于高海拔地区昼夜温差大，雨水管容易被冻住，久而久之冰雪聚集加重屋面负担并容易产生锈蚀。因此建议屋面采用无组织排水，屋面板外挑300～600mm，同时加强屋面板与墙板的连接。

屋面板的钢板厚度一般为0.5～1.0mm,彩涂热镀锌板基板的牌号建议采用StE280-2Z及StE345-2Z（宝钢Q/BQB420-200）。其允许集中荷载不小于1.0KN。

檩条采用的冷弯薄壁型钢基板建议采用StE280-2Z及StE345-2Z（要求较高强度时），镀锌层重量要求（双面）对应于正常使用环境、弱腐蚀环境、中等腐蚀环境，应分别不小于180g/m²，220g/m²及275 g/m²。

门式刚架中各类构件的物理除锈方法一般为喷射丸、砂，除锈等级按照构件所处环境的腐蚀等级从St2（彻底）～Sa2（非常彻底）。设计文件中一定明确的提出针对不同的构件的物理除锈方法及除锈等级的要求。

经除锈的钢材表面在检查合格后要在要求的时限内（一般为2～8小时）进行涂装。针对不同的钢构件使用环境和除锈等级使用不同配套组合的底漆、中间漆和面漆。对于一般涂装要求的构件，一般采用两道底漆、两道面漆；对于要求较高的构件，一般采用两道底漆，一、两道中间漆及两道面漆。

对一些因小构件锈蚀引起的可能的工程隐患要加以重视。例如，屋面板与檩条的连接一般采用自攻螺钉。由于雨水会沿自攻螺钉与屋面板的缝隙渗入，在一个比较长的时间段内，雨水逐渐锈蚀自攻螺钉使其失去连接紧固作用。目前这个问题在很多工程中均有发现。因此应采用表面强化处理的自攻螺钉或不锈钢自攻螺钉。由于自攻螺钉不可避免的与屋面板和檩条发生摩擦与刻划而造成自攻螺钉表面强化层的损伤，因此这类自攻螺钉时间一长通常也会出现锈蚀问题。因此建议采用不锈钢自攻螺钉，小东西解决大问题。

六、结论

门式刚架轻钢结构体系比较敏感，在高海拔地区特殊的自然气候条件和地理环境下，更要把握好它的设计工作。只要我们多考虑一些问题，多想到一些细节，就可以提高设计质量，进一步保证门式刚架轻钢结构的安全性和经济合理性。

参考文献

1、GB50017－2003，钢结构设计规范.中国建筑工业出版社.

2、建设部工程质量安全监督与行业发展司，中国建筑标准设计研究所.北京：全国民用建筑工程设计技术措施，中国计划出版社，2003

3、王元清.防止和消除钢结构构件低温冷脆现象的措施.低温建筑技术，1999，3，17～19.

4、义宝厚.较大起重量吊车门式刚架轻钢结构的设计.煤炭工程，2004，11，15～16.