门式刚架轻钢结构设计

摘要：从门式刚架的概述，荷载类型，材料，结构设计方法，结构设计原则等几个方面介绍了门式刚架轻钢结构的设计思路和设计原则

关键词：门式刚架的设计思路和设计原则

1门式刚架结构概述

门式刚架是典型的轻型钢结构，造型简洁美观，在房屋建筑中广泛应用于大面积厂房、仓库、体育馆和超市等各类公共建筑。它具有成本低、工期短，施工方便、预工程化程度高等优点。轻型门式刚架包括主结构（刚架、支撑体系、抗风柱等）、次结构（屋面和墙面檩条等）、辅助结构（挑檐、雨蓬、吊车梁等）、围护板材、柱脚和基础等。

2作用于门式刚架结构上的荷载类型：

（1）恒载(G)：结构自重和设备重；

（2）活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载(M)、积灰荷载(D)、雪荷载等；

（3）风载(W)

（4）温度(T)

（5）吊车(C)（6）地震作用荷载(E)

3材料

3.1门式刚架结构钢材选用的原则是既使结构安全可靠地满足使用要求，又尽量节约结构钢材和降低造价一般而言，轻型钢结构设计中钢材的选择应考虑以下方面：

3.1.1根据结构重要性，用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板，应采用Q235钢和Q345钢。门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。

3.1.2根据荷载性质，直接承受动力荷载的结构一般采用Q235B及Q345钢。承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构可选用Q235B钢。

3.2螺栓

3.2.1高强螺栓应采用符合现行国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓大六角螺母 垫圈技术条件》中规定的10.9级螺栓（摩擦型高强螺栓）。

3.2.2普通螺栓采用4.8级粗制螺栓（C级），应符合现行国家标准《六角头C级》的规定。

3.3焊条

3.3.1手工焊用的碳钢焊条或低合金钢焊条的性能应符合《碳钢焊条》及《低合金钢焊条》的规定。

3.3.2埋弧焊用的碳钢焊丝与焊剂或低合金钢焊丝与焊剂的性能应符合《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》及《低合金钢埋弧焊用焊剂》《熔化焊用钢丝》的规定。

3.3.3气体保护焊用实芯焊丝的性能应符合《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》的规定。

3.3.4焊条或焊丝应按强度、性能及母材相匹配选用，当两种不同钢号焊接时，宜采用与强度较低钢号匹配的焊条或焊丝。

4门式刚架结构设计方法

门式刚架结构设计采用极限状态设计方法，极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。承载能力极限状态设计包括结构构件的强度、整体稳定、局部稳定验算；正常使用极限状态设计包括结构及其构件的位移和刚度验算。一般设计时，首先选择截面使结构满足承载能力极限状态的要求，然后校核其是否满足正常使用极限状态。

4.1承载能力极限状态是指在设计荷载作用下不发生强度或稳定破坏。承载能力极限状态的表达式为：

（公式1）

为结构重要性系数；为最不利的荷载效应组合值；为结构的抗力。

4.2正常使用极限状态是指结构和构件的位移满足相应的容许值，这可以通过验算结构的变形来确保；同时结构和构件不产生振动，这可以通过限制构件的长细比来确保。位移指标有柱顶侧移和梁柱构件相对变形两项。位移验算的公式为：

（公式2）

构件长细比验算的一般公式为：

（公式3）

5结构设计原则

5.1合理布置柱网，满足建筑要求，檩条布置合理。

5.2刚架柱脚可采用刚接和铰接，在有吊车时柱脚为刚接,钢柱采用等截面型钢，其他一般采用柱脚铰接。

5.3支撑布置的目的是使建筑能构成稳定的空间结构骨架。布置的主要原则如下：

5.3.1柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。支撑桁架的直杆和单斜杆应采用刚性系杆，交叉斜杆可采用柔性构件。

5.3.2支撑的间距一般为30m-40m，不应大于60m；

5.3.3支撑可布置在建筑两侧的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设置刚性系杆；

5.3.4刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。结构纵向于支撑桁架节点处应设置通长的刚性系杆；

5.4门式刚架结构山墙设计

5.4.1一种是门式刚架标准图（05SG518）提供的跟传统工业厂房相似的设计方法，抗风柱与边跨刚架间留插入距，抗风柱下端固接，上端与边跨刚架斜梁铰接。超过36米跨山墙设柱间支撑，山墙自成体系，这种结构用钢量较大。

5.4.2另一种是PKPM软件中心提供的设计方法，抗风柱设计成边跨刚架上的摇摆柱，两端铰接。这种结构用钢量较小，但会形成边跨刚架和中间刚架柱顶位移、刚度及斜梁挠度相差较大，需在计算中重点考虑。并增加屋面斜向支撑，保证整个房屋在风荷载作用下能协调工作，不产生破坏。

5.5连接节点设计

5.5.1门式刚架结构一般在梁柱节点及框架梁的跨中划分运送和安装单元,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。

5.5.2为保证节点的刚度，节点应采用摩擦型或承压型高强度螺栓连接，一般成对布置。

5.5.3用高强度螺栓连接的端板，为减小杠杆力的影响，其厚度不宜太薄，一般可取1.5-2d，或设置加劲肋。

5.5.4连接按承受的最大内力设计。斜梁与柱相交的节点域，应验算抗剪强度。

5.6关于柱顶位移限值的规定（ h 为刚架柱高度）

无吊车时，当采用轻型钢墙板时柱顶位移限值为h/60，当采用砌体墙时柱顶位移限值为h/100。有桥式吊车，当吊车有驾驶室时柱顶位移限值为h/400，当吊车由地面操作时柱顶位移限值为h/180。

上述为理论计算值，根据过去所做的凋查和分析研究，由于有钢屋面板和墙板的加强作用以及平板柱脚的嵌固作用等，实际结构的柱顶位移远小于计算值，一般只有它的一半左右。

5.7檩条的设计

5.7.1檩条为薄壁构件，在受力状态其组成板件可能丧失局部稳定而产生屈曲，但屈曲后仍能承载（利用薄膜效应，即张力场）。设计中利用其屈曲后强度，一般采用有效截面的方法进行强度计算。

5.7.2檩条的整体稳定计算分为两种情况：

a. 风压力作用下，一般压型钢板和受压区设置的檩间拉条能起侧向约束作用。

b. 在风吸力作用下，下翼缘受压，截面扭转和侧向弯曲效应等效转化为作用于下翼缘的侧向荷载，以简化计算。也可采用构造要求，如设置隅撑。

5.8如何降低用钢量

5.8.1柱距及跨度及的合理选用，在满足使用要求的情况下，尽量采用6m~12m规则柱距。

5.8.2大跨度（18米以上）刚架采用变截面型钢，且采用Q345及以上钢材。在9m以上柱距时，檩条也可采用Q345及以上钢材，这样会大幅度降低钢材用量，降低成本。

5.8.3在设置屋面支撑处，可考虑用屋面檩条同时起到支撑作用，这在大面积工程上可减低一定的钢材量。

5.8.4在超过12米以上柱距的工程中，檩条若采用实腹式型钢，自重大且稳定性不易保证，可采用格构式檩条，可大幅度降低钢材用量。

6通过PKPM软件计算刚架、支撑和檩条并出图。

6.1计算刚架前，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

6.1.1钢梁可选择轧制或焊接H型钢截面。其截面高度通常在跨度的1/20-1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。 确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

6.1.2柱截面按长细比预估. 通常50

6.2结构工程师应该根据构件的受力情况，同时结合PKPM软件中的截面优化设计功能程序。合理的选择安

全经济美观的截面。

7以上从门式刚架的荷载类型，材料，结构设计方法，结构设计原则等几个方面详细介绍了门式刚架结构的设计原则。根据极限状态设计方法进行结构构件的设计，从强度、刚度及稳定性上满足结构的正常使用。我们在做门式刚架结构设计的时候要认真遵循，为用户提供安全可靠的优秀设计。

参考文献:

[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002

[2] 钢结构设计规范GB50017-2003

[3] 钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程 JGJ 82-91

[4] 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GBJ18 -87

[5] 建筑钢结构焊接技术规程JGJ 81-2002

[6]钢结构工程施工质量验收规范GB50205_2001

[7]建筑结构荷载规范GB50009_2001

[8]建筑抗震设计规范GB50011_2001