单层轻型门式刚架结构设计要点分析

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摘 要：在我国房屋钢架结构在每一处建筑中都多多少少会应用到，对于本文要阐述的轻型门式刚架结构的最早应用应该是在20世纪80年代初期，只是它的发展一直没有很迅速，直到最近十年，它的迅猛发展让其在数以万计的轻钢建筑工程中得到了广泛应用。据统计：其主要应用场所为厂房、体育馆、科技展览厅、加层房屋等大空间场所。本文就对其特点和技术要点进行了简单的阐述。

关键词：轻型门式刚架设计结构形式及布置

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：

本文主要就单层轻型门式刚架结构进行阐述，它主要是指以轻型焊接、热轧等H形钢和冷弯薄壁型钢结合构成的格构式、实腹式门式刚架结构，这种钢架结构就是主要承重骨架。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。

1、单层轻型门式刚架结构的特点

1)质量轻便

钢架结构的不断发展，质量轻便已经成为一个主要的发展趋势，该结构不管是金属板、玻璃棉等材料都属于较为轻质的材料，根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般仅为10～30kg/m2，这就相较于以前的老式结构轻便许多，并节省成本。

2)施工简便、迅速

门式刚架结构中的主要构件都来自于工厂加工制作，使得质量就有了很好的保障。施工基本不存在湿作业的情况，这就保证了安装施工的安全程度。安装时构件之间一般只需要用高强度螺栓连接辅以焊接，安装操作简便、快速。

3)经济效益得到很大提高

门式刚架结构的实际设计周期较短，并且采用计算机辅助设计所以就更有可利于周期的缩短.由于安装施工过程中原材料种类单一，减少了采买时的相关费用，运输也相对方便，所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。

4)结构布置灵活多变

传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6m，大大限制了使用空间，当采用12m柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。内部空间使用更加灵活多变。

2、结构方案

2．1 结构形式

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。一般在单层房屋（图一）、厂房仓库（图二）都是广泛应用的。

图一单层房屋

图二厂房仓库

2．2 结构布置

高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4．5～9m，跨度以为9～36米。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。檩条间距的确定应综合考虑天窗、采光带、屋面材料、等因素按计算确定，一般为1.5m等间距布置。

采用柱与梁刚接，而柱脚均为铰接的门式刚架形式较为合理。梁、柱截面有实腹式和格构式，等截面和变截面之分，以及梁端、梁中加腋的形式。

3、荷载及荷载组合

3. 1荷载（如表1）

表1 荷载分类

3．2 荷载组合

荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》给出下列组合原则：

(1)对屋面来说屋面均布活荷载是主要运用荷载，一般不需要雪荷载，但所两者结合时，就要选取取较大值的那一个。

(2)在应用积灰荷载时应充分与雪荷载、屋面均布活荷载同时考虑，也是选取其中的较大值的那个。

(3)在施工或检修过程中要记住，集中荷载不应该和屋面材料、檩条自重之外的其他一些荷载同时考虑。

(4)多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定。

(5)最后还要充分考虑地震作用，这时风荷载不要与地震作用同时考虑，以免重复。

4、刚架内力和侧移计算

根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用措施进行调整。

5、支撑体系

支撑体系主要分为两大类，水平支撑和柱间支撑。这两种支撑在该体系中起到了举足轻重的作用，他们是将各个平面刚架连接在一起的基础，是稳定整体结构的关键所在，可以起到稳定整体平面的作用，是一个主要支撑点。

5．1 支撑体系的计算

水平荷载不大的情况下，支撑受力较小，杆件截面尺寸由极限长细比确定。交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。

5．2 支撑体系设置

在每个温度区段应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。设柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑。端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距一般取30 m～45 m。当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60 m时，内柱列宜适当设置支撑；当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆；当房屋内设有不小于5 t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。柱间支撑对无吊车的厂房宜采用柔性圆钢支撑；当风荷载较大或抗震设防烈度大于8度时宜采用型钢支撑；有吊车的厂房应采用型钢支撑。

5．3 刚性系杆的设置

在刚架的转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。间距一般在刚架斜梁上12 m一18 m之间，在刚架柱上约8 m，刚度较大的吊车梁等均可作为刚性系杆考虑。

6、其他

1)屋面檩条。檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度不大于9 m时，应优先选用实腹式檩条。檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。

2)墙梁。墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边z形钢。墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，属于双向受弯构件。墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上、下沿及窗框的上、下沿处应设置一道墙梁。墙梁可根据柱距大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁。

3)隅撑。通常通过设置隅撑来减小钢梁的平面外计算长度，保证钢梁的整体稳定。隅撑布置在钢梁的跨中或屋脊的弯折处。一般每隔一根檩条设置一道隅撑，间隔宜不大于3 m。与隅撑相连的檩条厚度不宜小于2．0 mm，设有隅撑的钢梁或钢柱的平面外计算长度可取隅撑间距。对于边柱，其上端内翼缘处于受压状态，应至少在柱顶墙梁处设一道双隅撑。

4)拉条的设置。屋面檩条应在屋脊和檐口处同时设置直拉条、斜拉条、撑杆，其他处仅设置直拉条，常采用圆钢做拉条。墙面处最上层墙梁应同时设置直拉条、斜拉条、撑杆，墙面有洞口处，应在拉条中断处均设置斜拉条和撑杆。

5)柱脚。单层门式刚架厂房多采用外露平板式柱脚，铰接设计。当厂房有5 t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接，柱脚锚栓直径不宜小于24 mm；刚架跨度不大于18 m时，采用2个M24的锚栓；刚架跨度不大于27 m时，采用4个M24的锚栓；刚架跨度不大于30 m时，采用4个M30的锚栓，均应设双螺帽。柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水力，只作为安全储备。水平剪力主要由柱底板与混凝土的摩阻力来抵抗，当计算柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力不足以抵抗全部水平剪力时，柱脚底板下应加焊抗剪键。另外还需进行柱脚锚栓的抗拔计算。

结语

只要我们认真学习技术规范，建立清晰的结构概念，分析总结设计经验，不断的努力和探索更加合理、更加准确的进行单层门式刚架房屋的没计，一定能做出一个合格的设计。

参考文献：

[1] GB 50009—2012，建筑结构荷载设计规范[S]．

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S]．

[3] CECS 102—2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)[s]．