关于门式刚架轻型房屋钢结构设计中应注意的问题分析

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摘要：门式刚架轻型房屋钢结构是近年来我国发展最快的一种新型钢结构，它因自重小、施工周期短、造价低等优点而为广大建筑师、结构工程师所接受。现已被广泛应用于单层工业厂房，取得了较明显的社会效益和经济效益。本文将针对门式刚架轻型房屋钢结构在设计中应注意的问题进行分析。

关键字： 门式刚架轻型房屋钢结构；设计；基础

Abstract: The portal frame steel structure of the light house is a new steel structure which accepted by our country's development in recent years, it was accept by the majority of architects and structural engineers because of the small weight, short construction period and low cost. Now it was widely used in single-layer industrial plants, and achieved obvious social and economic benefits. This article will focus on the light housing of the door frame steel structure which should be noted that in the design problem.Key words: Door frame light house steel structure; design; basic

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

门式刚架轻型房屋钢结构是近年来我国发展最快的一种新型钢结构，它因自重小、施工周期短、造价低等优点而为广大建筑师、结构工程师所接受。现已被广泛应用于单层工业厂房，取得了较明显的社会效益和经济效益。刚架的用钢量与刚架的跨度、柱高以及屋面荷载大小有很大关系，特别是跨度加大，用钢量显著增加，所以，轻型门式刚架的适宜跨度在30m以下，屋面应与各种彩色压型钢钣或压型铝钣配套使用，墙体也应采用轻质围护材料，使结构具有美观轻巧的特点。

有些设计人员因初次接触此类结构，不熟悉设计规程、规范，对设计规程、规范理解不够全面，以致在设计中出现技术经济不合理现象，甚至造成安全隐患。那么门式刚架轻型房屋钢结构在设计上究竟要注意哪些问题呢？

一、基础与柱脚节点

基础形式选择应根据建筑物所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面

综合考虑，对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，上部结构传至柱脚的内力较小，一般以

独立基础为主。若地质条件较差，可考虑采用条形基础，遇到不良地质情况，可考虑采用桩

基础。一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。

对钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外，在风荷载较大的情况下，

特别对于一些敞开和半敞开的结构，轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上

拔力，导致基础上拔破坏。为了防止这些破坏的发生，最经济有效的办法是增加基础埋深，对于轻钢结构基础，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部结构和基础的连接，若锚栓离混凝土基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，因此，锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm，若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致基础破坏，所以规范也规定了锚栓埋入长度。

柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接

都是不可能的，确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。刚接和铰接柱脚关键在于锚栓布置，

铰接柱脚一般采用两个锚栓，刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的区别在于

对侧移的控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况，应将

柱脚设计成刚接柱脚，其余情况下，柱脚应设计成铰接。一般情况下，柱底剪力是通过底板

和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求，则须设置抗剪键。

二、屋面支撑设计

门式刚架轻型房屋钢结构设置屋面支撑系统的目的是为了提高结构的整体刚度，发挥结构的空间作用，保证结构的几何稳定性，为刚架提供平面外可靠的支撑以减小刚架在平面外的计算长度，传递房屋纵向水平荷载以及保证施工安装时刚架的稳定和安全。因此，合理地设计屋面支撑对门式刚架轻钢结构房屋的质量和安全意义重大，是整个结构设计中一个重要的组成部分。门式刚架轻钢结构房屋应在横梁上翼缘平面设置横向水平支撑，以保证刚架横梁的侧向稳定。当山墙抗风柱上端支承于横梁上翼缘或下翼缘某些特定位置上时，横向水平支撑起着传递山墙纵向风荷载的作用。和普通钢结构厂房一样，屋面横向水平支撑可以设在温度区间端部第一个开间或第二个开间，当设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置宜设置刚性系杆。有的设计人员在设计屋面横向水平支撑时，为了节约，不单独设置直腹杆，由屋面檩条兼作直腹杆。当山墙风荷载传来时，兼作直腹杆的檩条除了承受屋面活载(雪载)之外，同时还承受山墙风载引起的轴向压力，实际受力状态是一压弯构件。而一般的檩条是双向受弯构件，两者的强度条件是不同的。因此，设计中用檩条兼作直腹杆时，应经过验算，当檩条的承载能力以及长细比均满足要求方能兼作横向支撑中的直腹杆。否则，应加大檩条的截面尺寸，这一点应引起设计人员的注意。所以，实际工程中，也可采用檩条与直腹杆分开设置的方法，这样檩条只承受屋面荷载，风荷载引起的轴向压力由单独设置的直腹杆承受，既统一了檩条规格，又简化了计算。

屋面支撑设计中应注意的另一个问题是横向水平支撑直腹杆由檩条兼作时，除了承载能力和长细比满足要求外，该檩条的位置必须布置在横向水平支撑交叉斜杆的相交处。这是因为兼作直腹杆的檩条是横向水平支撑的组成部分，只有与支撑中的交叉斜杆一起构成三角形几何不变体后，才能起到刚架横梁侧向支点的作用。有些工程在屋面横向水平支撑设计时，斜杆按跨度等分设置，直腹杆用檩条兼作，但因檩条间距固定而未能将兼作直腹杆的檩条布置到支撑斜杆相交点上，不能与支撑斜杆组成几何不变体，因而起不到刚架横梁侧向支点的作用，设计中应避免出现这种情况。

三、山墙墙架设计

门式刚架轻钢结构房屋山墙可采用由斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架或门式刚架。当采用门式刚架时，连接构造与一般钢结构厂房相同。抗风柱顶通过弹簧钢板与刚架横梁上翼缘相连，风荷载通过屋面横向支撑传递给屋面系统。当采用斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架时，由于门式刚架轻型房屋钢结构技术规程未给出标准连接做法，具体构造由设计人员自行设计。有的工程在山墙墙架设计中将抗风柱与斜梁下翼缘相连，但未采取将风荷载传递给屋面横向水平支撑或系杆(当屋面横向支撑设于端部第二间时)的措施。当风荷载传来时，墙架斜梁除了承受抗风柱顶传来的侧向力以外，还承受侧向力引起的扭矩。当房屋的跨度及高度不大时，侧向力个数不多、数值不大，产生的扭矩相应较小。但房屋的跨度及高度较大时，侧向力的个数多、数值大，产生的扭矩对刚架斜梁的影响不能忽略。此时，墙架斜梁不单受弯，而且受扭。因此，当抗风柱与墙架斜梁下翼缘相连时，应在连接处设撑杆或者隅撑，隅撑一端与斜梁下翼缘相连，另一端与横向水平支撑中的直腹杆或系杆相连。将山墙风荷载通过屋面横向水平支撑传递给屋面系统，从而避免山墙墙架斜梁受扭。

此外，山墙是采用门式刚架还是采用山墙墙架，应根据工程的实际情况而定。山墙墙架因跨度小，斜梁及抗风柱的截面尺寸较小，比较经济，一般的轻钢结构房屋大多采用这种形式。但山墙采用墙架时，由于端部第二榀门式刚架横梁跨度及荷载均大于山墙墙架斜梁的跨度及荷载，其挠度也大于山墙墙架斜梁的挠度。随着跨度的增加，门式刚架横梁的挠度远大于山墙墙架斜梁的挠度。两者因变形相差较大，可能引起屋面开裂、渗漏，使雨水进入保温层，致使屋面板荷载增加而造成安全隐患。因此，从变形的角度看，当房屋跨度较大时，山墙采用门式刚架较为合理。

四、刚架计算

门式刚架属平面受力体系，其内力一般取单榀刚架按平面计算。刚架梁、柱的内力可按门式刚架计算公式进行计算，也可用专用计算软件电算。根据(tl式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：结构构件的受拉强度按净截面计算，受压强度按有效截面计算，稳定性按有效截面计算，变形和各种稳定系数均按毛截面计算。所以，采用程序进行电算时，程序会提示设计人输入刚架净截面与毛截面的比值，并提供一个默认值。

应注意的是这个比值并非不可改动的固定值，而是应按刚架与支撑的连接方式根据实际情况确定。如不修改比值，程序自动按默认值计算。当刚架的支撑与刚架都是通过焊于其上的网板相连接时，刚架上没有螺孔。

刚架的毛截面即为净截面。输入的净截面与毛截面的比值应改为1，如不作更改，程序按默认值计算，实际上相当于降低了刚架所用钢材的设计强度，计算出的应力就偏高。反之，刚架开孑L较多，净截面与毛截面的比值小于默认值，如计算中不对默认值加以修改，仍按默认值计算，计算出的应力就偏低。

五、防腐与防火设计

1、钢材耐腐蚀性和耐修蚀性差，钢结构的腐蚀不仅造成了经济损失，也给结构的安全带来了隐患，由于钢腐蚀而导致的事故屡见不鲜。

钢结构的防腐包括两个步骤：

（1）钢材表面的处理。钢材表面污物会严重影响涂料在钢材表面的附着力，并使漆膜下的锈蚀继续扩展，导致涂层失效或破坏，因此，钢材表面处理质量的好坏对涂层的防护效果及寿命的影响，甚至比涂料本身品种性能差异的影响更大，据统计，钢材的表面处理占防腐涂装各因素对涂层质量影响的一半左右。

（2）在钢结构表面刷防腐涂料。防腐涂料是一种含油或不含油的胶体溶液，将它涂敷在钢材表面，可结成一层薄膜来保护钢结构，防腐涂料一般由底漆和面漆组成。底漆的功能是使漆膜与基层、面漆结合牢固，面漆的主要功能是保护下层底漆。常见防腐涂料底漆有富锌底漆和环氧铁红底漆，常见面漆有环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯漆等。

2、钢结构耐火性能差，其耐火极限仅为15~20min，根据要求，建筑构件在耐火等级为二级时的耐火极限，对于支撑多层的柱为2.5h，梁为1.5h，楼板为1.0h，因此， 必须对钢结构构件表面采取防火措施，常见防火措施为：将耐火轻质板作为防火外包层；在构件浇筑混凝土或砌筑耐火砖；涂抹防火涂料。一般民用建筑及大型公共建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火。防火涂料可分为超薄型、薄型、厚型三种，板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料，柱采用厚型防火涂料。但现阶段防火涂料价格较贵，因此在普通钢结构中往往采用在梁柱表面浇筑细石混凝土的办法，这时柱表面混凝土厚度为50mm，梁表面混凝土厚度为25mm，且须在混凝土内设置与钢构件相连接的钢丝网，这样可以有效降低造价。

总之，只有在设计上严格按照设计规范和要求，才能充分的门式刚架轻型房屋钢结构的优势。

参考文献：

1 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102:2002)，中国计划出版社，2003

2 胡宝琳等，轻型钢结构厂房的设计与研究，钢结构，2004 (5)