浅谈门式刚架在设计中的几个问题

摘要： 介绍了门式刚架轻型结构体系在国内发展研究概况；论述了屋面荷载、山墙结构体系、柱脚、维护结构等设计特点；对我国门式刚架轻型结构体系存在的一些问题提出相应的建议。

关键词： 门式刚架 发展荷载山墙柱脚维护结构

中图分类号：S611文献标识码： A

门式刚架是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。由于它具有自重轻、加工制造简单、运输安装方便、抗震性能好、建设周期短，能够形成大空间、大跨度，具有外表美观，造价低，易维护等优点在近十年来得到迅速的发展。它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱，以冷弯薄壁型钢作为檩条、墙梁、墙柱，以彩钢板作为屋面板和墙板，现场用螺栓连接或焊接而成的以门式刚架为主要承重结构，再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系。

1 合理选择柱距与跨度：

设计人员应在尽可能满足生产工艺和使用功能的基础上，根据房屋的高度确定合理的跨度。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但空间利用率高，综合效益较为可观。通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致时，跨度在18-30m之间的刚架单位用钢量约为18-28kg/ m2，当跨度在21-48m之间的刚架单位用钢量约为25-40kg/ m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。经过大量计算发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式刚架存在着一最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：

跨度（m） 9~12m 12~18m 18~36m 36~45m 45m以上

最优柱距（m） 5.5m 6m 6~7.5m 7.5~9m 9m

综上所述，一般情况下，门式刚架的柱距应在6―9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。

2 门式刚架设计中荷载的确定

我国现行门式刚架的主要设计依据为《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）2012年版。

《荷载规范》表5.3.1规定，不上人屋面当施工和维修荷载较大时，应按实际情况采用；对于不同类型的结构应按有关设计规范的规定采用，但不应低于0.3KN/m2。对此《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》补充如下：当采用压型钢板轻型屋面时，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。注：对受荷水平投影面积大于60m2刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN／m2。

荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的规定，针对门刚钢架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002给出下列组合原则：1.屋面均面活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。2.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。3.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。4.多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2012）的规定。5.风荷载不与地震作用同时考虑。

3 柱脚的设计

轻型门式刚架一般采用外露式柱脚，柱脚锚固连接节点按其受力特点的不同，分为刚接连接柱脚节点和铰接连接柱脚节点两种类型。

3.1铰接柱脚

铰接柱脚可将柱的轴力和剪力传给基础。柱的轴向压力通过底板直接传给基础，拉力由底板经锚栓传给基础。为了经受柱脚产生的假想转动，锚栓是采用专门的制品，我国未规定专用钢材，宜采用延性较好的Q235制作，必要时也可采用Q345制作。

3.2刚接柱脚

作用于柱的轴力、剪力和弯距通过柱脚向基础传递，抗震结构的这种柱脚应按抗震连接的要求设计。接近完全固定的柱脚，宜采用外包式柱脚和埋入式柱脚。外露式刚接柱脚实际上是半刚接的。按固定柱脚考虑的外露式柱脚，宜采用埋深较大锚栓。当柱断面较大时，锚栓数量的确定及其布置，对于有抗震设防要求的外露式柱脚，应采用具有充分塑性变形能力的锚栓和有足够刚度的大底板。我国采用二次灌浆法，底板下设调整螺母，对此，在钢结构工程施工时也应特别注意。

4 门式刚架山墙结构体系

轻型钢结构中的山墙结构体系除承受山墙端部的屋面竖向荷载外，同时还承受山墙横向和纵墙端部的水平风荷载或地震荷载。一般采用如下两种形式的：刚架端墙体系和构架端墙体系。

刚架体系有两部份组成，一是刚架，其截面与中间标准刚架相同，承受端部屋面竖向荷载、纵墙端部的水平荷载、纵墙端部的水平荷载或地震荷载；另一部分为山墙抗风系统，承受山墙风载和墙面中立荷载，根据抗风柱布置位置的不同，一般包含抗风柱和墙梁等构件。刚架体系中刚架的受载面积一般为标准垮的一半。

5维护结构设计

5.1檩条设计

(1)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9m时，应优先选用实腹式檩条。

(2)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。

(3)檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。

(4)檩条尚应满足其他相关构造规定。

5.2墙梁、支撑设计

(1)墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边Z形钢。

(2)墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。

(3)门式刚架结构中的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。

(4)刚架柱间支撑的内力，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。

总结：轻型门式刚架结构以其众多优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。但是，我国轻钢结构毕竟起步较晚，在理论与实践中与国外尚有很大差距，在实际工程设计中，由于门架变截面件的截面尺寸需要经过多次试算才能确定，加之目前设计人员的设计经验还不够丰富，杆件截面的选择也不尽合理，容易造成整体结构各杆件应力不均，不仅经济指标不够理想，而且整体结构的安全度也不高，为了安全、经济地设计门式刚架，还需要设计人员进一步研究。

参考文献：

1.钢结构设计规范，GB50017-2003

2.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS：102-2002（2012年版）

3.建筑结构荷载规范，GB50009-2012

4.轻型钢结构民用与工业建筑设计，舒赣平、王恒华等著

5.钢结构设计手册（第三版）