门式刚架轻型钢结构设计

摘要:在工业发达国家，门式刚架轻型房屋钢结构历经数十年的发展，目前巳非常广泛地应用于各种房屋结构中。随着钢材产量，钢结构制作安装技术的提高，门式刚架轻型房屋钢结构近年来在我国得到了迅速的发展。本文结合门式刚架轻型钢结构体系以及作者在工程设计中经常遇到的一些常见问题,对门式刚架轻型钢结构设计进行简单的总结和探讨。
关键词：门式刚架、结构设计
门式刚架结构以焊接或轧制H型钢作为主要承重结构，以冷弯薄壁型钢檩条，墙梁、压型金属板作为维护结构，造型简洁美观，柱网布置灵活，具有质量轻，施工周期短、综合经济效益好的特点，广泛

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用于厂房，仓库、交易市场，大型超市，展览馆，体育馆、活动房屋及加层等建筑中。
结构选型与布置

1.1、结构形式

门式刚架按跨度可分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。多跨刚架中间柱与刚架斜梁的连接可采用铰接。多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖，必要时也可采用由多个双坡屋盖组成的多跨刚架形式。根据跨度、高度及荷载不同，门式刚架的梁，柱可采用变截面或等截面的实腹焊接工字形截面或轧制H形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面形式。变截面形式通常改变腹板的高度，做成楔形，必要时也可改变腹板厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，必要时可改变翼缘厚度，邻接的运输单元可采用不同的翼缘截面，两单元相邻截面高度宜相等。柱脚可采用刚接或铰接形式，前者町节约钢材，但基础费用有所提高，加工、安装也较为复杂。为提高构建筑的抗侧移刚度，柱脚宜采用刚接形式。铰接柱脚通常为平板形式，设一对或两对地脚锚栓。维护结构宜采用压型钢板和冷弯薄壁型钢檩条组成，外墙也可采用砌体或底部砌体、上部轻质材料的形式。门式刚架可由多个梁、柱单元构件组成，柱一般为单独的单元构件，斜梁可根据运输条件划分为若干个单元。单元构件本身采用焊接，单元之间可通过端板用高强度螺栓连接。门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1/8—1/20，在雨水较多的地区宜取其中的较大值。单层门式刚架轻型房屋可采用隔热卷材做屋盖隔热和保温层，也可采用带隔热层的板材作屋面。

1.2、建筑尺寸

门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离。门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度，应根据使用要求的室内净高确定。柱的轴线可取通过柱下端(较小端)中心的竖向轴线；工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮；斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。房屋的檐口高度应取地坪至房屋外侧檩条上缘的高度，最大高度应取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度，宽度应取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离，长度应取两端山墙墙梁外皮之间的距离。门式刚架的跨度宜为9-36m。边柱的宽度不相等时，其外侧应对齐。门式刚架的高度宜为4.5-9.Om，必要时可适当加大。门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离宜为6-9m。挑檐的长度可根据使用要求确定，宜为0.5-

1.2m，其上翼缘坡度宜与横梁坡度相同。

1.3、结构平面布置

门式刚架轻型房屋钢结构的纵向温度区段长度不宜大于300m，横向温度区段长度不宜大于150m。当需要设置伸缩缝寸，可在搭接檩条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许胀缩，或设置双柱。吊车梁与柱的连接宜采用长圆孔。多跨刚架局部抽掉中柱或边柱处，可布置托梁或托架。

1.4、檩条和墙梁布置

屋面檩条一般应等间距布置。但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长(一般不大于200mm)；在天沟附近应布置一道檩条，以便与天沟固定。确定檩条间距时，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。门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，在采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距由墙板板型及规格确定，且小应大于计算要求的值。外墙除可以采用轻型钢板墙外，在抗震设防烈度不高于6度时，还可采用砌体；当为7度、8度时，还可采用非嵌砌砌体；9度时还可采用与柱柔性连接的轻质墙板。

1.5、支撑布置

在每个温度区段或者分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。在设置柱间支撑的开间应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系。柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况及安装条件确定。当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置。屋盖支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个开间。当设在第二个开间寸，在第一开间的相应位置宜设置刚性系杆：在刚架转折处(如柱顶和屋脊)应沿房屋全长设置刚性系杆。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，可由檩条兼作，此时应满足对压弯构件刚度和承载力的要求。当不满足时，可在刚架斜梁间加设钢管，H型钢或其他截面的杆件：门式刚架轻型房屋钢结构的支撑，宜采用带张紧装置的十字交叉圆钢组成，圆钢与构件的夹角宜接近45°，在30°-60°范围。当房屋中不允许设置柱间支撑时，应没置纵向刚架。
荷载计算和内力组合

2.1、荷载计

算门式刚架房屋结构的荷载应按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定采用，包括以下荷载工况：
2.

1.1、永久荷载

结构的自重(包括屋面、檩条、支撑、刚架、墙架等)，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009)采用；悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载(包括吊顶、管线、天窗、门窗等)，按实际情况考虑。2.

1.2、可变荷载

屋面活荷载，当采用压型钢板轻型屋面寸，屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5kN／m2；对受荷水平投影面积超过60m2的刚架，屋面均布活荷载标准值可取不小于0.3kN／m2。；
设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载(人和小工具的重力)按《建筑结构荷载规范》规定取用，标准值为

1.0kN，并在最不利位置进行验算。

屋面雪荷载和积灰荷载，按《建筑结构荷载规范》规定采用。
风荷载。对于门式刚架轻型房屋，当其屋面坡度不大于10°、屋面平均高度不大于18m，房屋高宽比不大于1、檐门高度不大于房屋的最小水平尺寸时，风荷载体型系数应按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》计算，分别考虑刚架上的风苘载体型系数，檩条和墙梁的风荷载体型系数，屋面板和墙板的风荷载体型系数、山墙墙架构件的风荷载体型系数以及屋面挑檐的风荷载体型系数等。
地震作用，应按《建筑抗震没计规范》计算。

2.

2、荷载效应组合

荷载效应组合应符合以下原则： 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；
积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；
施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；
风荷载不与地震作用同时考虑。

2.3、内力计算

变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种工况下的内力，仅构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017)的规定进行设计。但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时，通常取单榀刚架按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。计算内力时可采用有限元法(直接刚度法)。计算时宜将变截面刚架梁、柱构件划分为若千段，每段可视为等截面，也可采用楔形单元。当需要手算校核时，可采用一般结构力学的方法(如力法，位移法，弯矩分配法等)或利用静力计算的公式、图表进行。刚架的最不利内力组合应按梁、柱控制截面分别进行，一般可选柱底、柱顶，柱牛腿以及梁端，梁跨中截面等处进行组合并进行截面验算。

2.4、变形计算

门式刚架结构的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。侧移可以用有限元法计算，也可以按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的简化计算公式进行。在风荷载标准值作用下的刚架柱顶位移不应超过规定许用的限值。目前国内外已经开发了多套门式刚架结构设计商业软件，如STAAD、STS、3D3S等，这些软件可完成结构的计算设计工作，并可绘制部分施工图以供参考。
3、结语
总之，为了安全、经济地设计门式刚架，我们设计人员还需进一步提高设计理论知识，解决存在问题，确保工程的设计质量，推动门式刚架轻型钢结构的进一步发展。
参考文献：
董军，曹平周主编，钢结构原理与设计，中国建筑工业出版社,2008.4.
苏童，钢结构基础，中国建筑工业出版社,2009.07.
[3]张志国，钢结构课程设计指导，武汉理工大学出版社,2010.01.