单层轻型门式刚架结构设计

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摘要：介绍了单层轻型门式刚架结构及其特点,从结构形式、结构布置、刚架设计和附属结构构件设计等方面探讨了门式刚架轻型结构的设计,提出了轻型门式刚架结构设计应遵循的原则,从而完善该结构的设计。

关键词：轻型门式刚架结构；设计；内力计算；侧移计算

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢(等截面或变截面)、热轧H形钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢(槽形、z形等)做檩条、墙梁；以压型金属板(压型钢板、压型铝板)做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料以及岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料，并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多采用刚接和铰接并用；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和设计要点

1.1单层轻型门式刚架结构具有以下特点

1.1.1质量轻。围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。

1.1.2工业化程度高，施工周期短。主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。

1.1.3综合经济效益高。门式刚架结构设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便。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。

1.1.4柱网布置比较灵活。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6米，当采用12米柱距时，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。

1.2设计要点

1.2.1由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。

1.2.2要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。

1.2.3组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。

1.2.4设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。

1.2.5门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。

2结构形式和结构布置

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，按屋面唆脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取100--1／8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰揍设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。

2.2结构布置

2.2.1刚架的建筑尺寸和布置。门式刚架的跨度宜为9～36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5～9m。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。纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m。

2.2.2檩条和墙粱的布置。檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑出挑构件的设置和围护材料的要求确定。

2.2.3支撑和刚性系杆的布置。(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空问稳定结构的支撑体系。(2)在设置柱问支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30～45m，有吊车时不宜大于60m。(4)当房屋高度较大时，柱问支撑应分层设置；房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第—个开间的相应位置应设置刚性系杆。(6)在刚架的转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求。当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。

3钢架设计

3.1荷载及荷载组合

3.1.1永久荷载

永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。

3.1.2可变荷载

可变荷载包括屋面活荷载(设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1kN)、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。

3.2.1内力计算

对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁、柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法(直接刚度法)编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。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、梁跨中等截面处。

3.2.2侧移计算

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，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或(和)梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

3.3刚架柱和梁的设计

①梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用，主要包括梁柱板件的宽厚比限值验算、腹板屈曲后强度利用验算、腹板的有效宽度验算等内容。

②刚架梁柱构件的强度验算。

③梁腹板加劲肋的配置。梁腹板应在中柱连接处、较大固定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。

④变截面柱在刚架平面内的计算长度确定，平面内的整体稳定计算，平面外的整体稳定计算。

⑤斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。

⑥节点设计，包括斜梁与柱的连接及斜梁拼接、柱脚设计、牛腿设计、摇摆柱与斜梁的连接构造等内容。

结束语

综上所述，结构工程师在从事轻型门式刚架结构设计时应特别关注：合理选用刚架结构形式、结构布置合理和正确确定荷载组合；明确各类外力从作用点到基础的传递路径合理布置支撑体系；在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间稳定体系，结构只有这样组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。设计者只有遵循以上几点才能在门式刚架结构设计中充分体现出设计项目的合理性、显示出结构体系的优越性。

参考文献:

[1]《门武刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002．

[2]《建筑结构荷载设计规范》GBS0009—2001．

[3]《钢结构设计规范》GBS0017—2003．