浅谈门式刚架设计

【摘 要】本文针对门式刚架轻型房屋钢结构设计中遇到的关于结构选型、材质和截面选择、节点设计、支撑系杆设置、檩条墙梁设计、围护设计等各方面的问题发表个人的一点心得

【关键词】结构；材质；截面；节点；支撑系杆；檩条墙梁；围护

在日常进行的钢结构设计中，我们大部分遇到的是门式轻型刚架，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102:2002）适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。下面按照设计的几个环节，浅谈一下如何进行门式轻型刚架的设计。

一、结构选型：

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

合理选择结构形式，包括合理选择柱距、跨度、屋面坡度等。柱距和跨度首先应满足工艺布置的要求。当工艺无特别要求时，柱距应以6～9m为宜。一般说来，有吊车及较大屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近6m；无吊车及屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近9m。具体工程应通过试算比较来最终确定。门式刚架跨度宜采用9～36m,当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。屋面坡度一般以3%～5%为宜。

伸缩缝的设置：门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距），应符合纵向温度区段长度不大于300m，横向温度区段长度不大于150m，当有计算依据时，温度区段长度可适当加大。温度区段范围内按规范规定设计独立的稳定的空间体系。当需要设置伸缩缝时，可采用两种做法：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涨缩或设置双柱。

二、主刚架的材质和截面选择

门式刚架的横梁和刚架柱根据建筑物的跨度、高度、荷载大小及荷载种类可采取变截面或者等截面。主钢架H型钢的材质应采用Q235B或Q345B的钢材，对于其他非焊接构件可采用Q235A。实腹式刚架横梁截面高度宜采用跨度的1/30～1/45，轻型刚架选用比值的下限，截面开展，即截面尺寸大，但板厚较薄，这样在同样的用钢量下截面抗弯摸量大。工字形截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比（宽厚比限值），不应大于15 ，工字形截面梁、柱腹板的计算高度hw与其厚度tw之比（高厚比限值），不大于250 。根据设计经验，翼缘板的宽度一般选在160mm～300mm之间，腹板的厚度≥4mm，翼缘的厚度≥6mm。

三、节点设计

首先，梁梁分段点的选择应综合考虑受力和运输两个方面的因素。在两根和梁刚接的柱之间的梁，从受力考虑，分段一般按1：2：1分为三段。中间受力小的设计成等截面梁，两端设计成楔形梁。按运输考虑一般一根梁不要超过14米，超过则可将1：2：1略调整以满足此要求。

门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和 端板斜放三种形式。端板竖放适用于局部等截面柱。竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点受力的有利作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜放的形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式连接节点，因此应尽量采用外伸式端板连接，同时应在节点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。

刚架柱脚：铰接和刚接。铰接一般用于无吊车厂房、仓库以及柱下端水平位移不大的刚架。对于有吊车以及檐口高度较高、风载等其他水平荷载较大的情况下宜用刚接。无论是铰接还是刚接，柱脚锚栓都不宜用于承受柱脚底部的水平力，此水平力应该由柱脚底板与混凝土之间的摩擦力或者设置柱脚抗剪键承受。

四、支撑系杆设置

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间稳定结构的支撑体系。在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋面水平支撑，以组成几何不变体系。柱间支撑的间距设置应首先满足工艺要求，尽量避开门、消防通道，无法避开时可考虑采用门式支撑类似形式。当无吊车时支撑间距宜取30～45m，当有吊车时宜设在温度区段中部或宜设在三分点处，且间距≤60m。

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中规定，屋盖支撑杆件宜用型钢，根据经验，8度地震区应用型钢截面，7度及以下视刚架跨度和荷载大小可考虑采用圆钢。柱间支撑是抗震中的主要受力构件，还必须满足不同烈度的长细比构造要求，比屋面水平支撑要求更高，一般认为≥7度抗震区宜用型钢，同时柱间支撑必须符合规范的相关规定，并经纵向抗震计算确定支撑的截面。

多数梁柱在计算中，都是平面外稳定应力起控制作用。我们可以通过设置隅撑，让它和檩条墙梁构成受力体系，作为平面外支撑点来减小梁柱平面外计算长度。对于不设置墙面的中柱，无法设置隅撑，可以通过设置通长系杆来起同样作用。但应注意，中柱增设的系杆离地面不宜小于5米，以免影响厂内交通，另外还应经过业主同意，看是否会影响厂房其他的使用功能。

五、檩条、墙梁设计

檩条间距的设计应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。为了拉条标准化，制作简便，一般按等间距布置。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。截面规格从节省用钢量的角度考虑，应尽量减少使用C型简支檩条，而多采用Z型连续檩条。因为根据力学模型，同截面连续梁的承载力远大于简支梁。至于墙梁布置同檩条，考虑门窗尽量按等间距布置，在窗上窗下位置为便于窗的施工不宜采用Z型连续。剩余其他位置墙梁如果较多，宜采用Z型连续。但如果剩余其他位置墙梁较少，为了施工方便，建议统一采用简支C型。

六、围护设计

外板厚度一般各地区各种板型的基材最小厚度为0.476mm，沿海地区应根据风压大小计算其厚度。内板厚度各种板型的基材最小厚度为0.376mm。压型钢板长度根据需要分为在工厂制作或现在制作，在工厂制作的板，限于运输和安装原因，长度一般不宜超多15m,现场制作的板长度不宜超过50m。

采光板的选用：通长设置时采用整体式采光板，点式布置时采用组合式采光板。北方积雪结冰地区，宜采用组合式采光板。

螺钉的长度应根据板型或固定座、保温棉厚度、檩条或墙梁的厚度计算确定。

对于双层板屋面保温棉可以不考虑支撑，对于单层板屋面保温棉应该考虑支撑，一般可以采用以下几种方法：利用高强度的防潮贴面支撑保温棉；利用不锈钢丝（或镀塑钢丝绳）支撑保温棉。

以上是我根据日常工作经验，总结的一点心得，因为具体工程千变万化，难以将所有门式轻型刚架设计方面的问题，一一详述。希望我提供的一点设计思路，能对各位读者有所启发。