论工业厂房轻型门式刚架的优化

摘要：门式刚架结构是梁、柱单元构件的组合体，其结构美观经济安装方便，在玻璃工业厂房以及其他工业领域，应用得相当广泛。本文结合实际工程经验, 提出了轻型门式刚架普通钢结构厂房的优化设计方法，希望能够为今后同类型的厂房设计提供简便的设计思路。

关键词：工业厂房设计、门式刚架、优化

中图分类号：[F287.2]文献标识码：A 文章编号：

1、前言：

轻型钢结构门式刚架与屋架结构相比,整个构件的横截面尺寸相对较小,可以有效地利用建筑空间，从而有效降低房屋的高度，减小建筑体积；其次，刚架构件本身的刚度较好，其平面内、外的刚度都较好，为运输、安装提供较有利的条件。另外轻型门式在建筑造型上也较简洁美观。因此，轻型门式刚架结构形式不光用于中、小跨度的玻璃及其他工业房屋，也能应用到较小跨度的公共建筑，都能取得较好的经济效果和时间效益。在玻璃行业中，不管是玻璃原片生产线还是玻璃深加工厂房，都大量采用了轻型门式刚架结构形式的厂房。这种厂房结构构件单一，在工厂采用焊机流水线焊接，在现场采用螺栓拼接安装，施工简单快捷，能够节约大量人力和时间。而传统的钢屋架结构形式体系,用钢量大,构件多,施工安装量大,质量不易保证,结构占用建筑空间大等缺点。因此，在中、小型跨度结构中，轻型门式刚架取代传统的桁架或网架结构成为必然的趋势。

2、门式实腹刚架

门式实腹刚架适用于荷载较小、跨度约为9～36m、柱高约为4．5～12m，无吊车或吊车起重量较小的房屋。当跨度不超过15m，柱高不超过6m，弯矩变化不大。以及按塑性理论设计时，宜采用等截面；当跨度大于15m，柱高为7m以上以及有吊车时，弯矩变化较大，宜采用变截面。变截面随着弯矩变化，能够充分材料性能，因而更节约材料，但在裁剪材料及加工制造方面，不如等截面方便。用上下翼缘和腹板三块钢板焊成的工字形截面的实腹刚架，截面形式简单，受力性能好，在玻璃厂房门式刚架中都采用这种工字型实腹刚架。为保证门式刚架制作的焊接质量和提高工效，变截面钢柱和钢梁一般在工厂采用自动焊机焊接成型。有些工程，为了减少焊接工作量，节约宝贵的时间，一部分实腹刚架采用成品热轧梯形H型钢或等截面H型钢。

3、轻型门式刚架普通钢结构厂房优化设计方法

3.1、优化设计方法的原则

对于轻型围护实腹式门式刚架钢结构相关内容的设计要求,各种规范规程各有侧重。即使针对同一种构件,也有差异。因此,可以将其互相综合,并根据实际结构的受力特点和实际工程的相关经验进行一定的折中。

1）对跨度小于24米，檐口标高小于9米的门式刚架，可完全适用轻型钢结构规程CECS；对跨度大于24米，檐口高度大于9米门式刚架，风荷体型系数和梁、柱构造按照普通钢结构规范GB50017，结构整体计算仍按照轻型钢结构规程CECS。

2) 对单榀有重型吊车刚架，吊车轮压对柱的轴力的影响和吊车横向刹车力对刚架的横向作用力的影响很大。相比于轻型钢结构,普通钢结构厂房对刚架梁和柱的强度、刚度及稳定承载力要求较高,因此应采用普通钢结构规范GB50017的规定并结合实际工程经验进行取值；对结构整体纵向受力,作用变化最大的是吊车纵向刹车力的影响, 直接表现在对柱间支撑的作用变大,因此其纵向支撑系统也应结合普通钢结构规范GB50017的规定和实际工程经验进行取值。

3) 对围护结构等，则仍按照轻型钢结构规程CECS标准的要求,并结合GB50018适当提高。

4)设计的优化方法必须要保证刚架结构的安全性,并尽可能降低用钢量,且与实际工程相结合以实现与轻型门式刚架厂房的设计概念相一致。

3.2、优化设计方法的技术要点

3.2.1、刚架的构造连接设计

门式实腹刚架，一般有横梁与柱拼接节点以及梁与梁拼接节点，在柱脚基础处设置锚固节点。根据抗震设计强节点弱构件设计原则，设计时连接节点强度要强于连接部位构件。考虑刚架结构弹塑性变形时，应避开连接节点位置。同时要使制造、运输和安装方便。

1）梁、柱拼接节点。梁、柱拼接节点处，弯矩很大时一般在梁端采用加腋的截面形式；弯矩不大时梁端采取等截面形式。在加腋形式中又有梯形加腋与曲线形加腋之分，曲线加腋省料但制作麻烦，梯形加腋制作方便，因此通常多采用梯形加腋。加腋连接可使截面的变化符合弯矩图形的要求，使截面减小，以节约材料。

2）横梁分段主要考虑运输和安装方便；其次尽量把横梁拼接节点设置在弯矩小的地方，以减少高强连接螺栓和连接板。另外连接螺栓不光要满足强度要求，还需满足节点构造的需要。

3）柱脚锚固连接节点

柱脚锚固连接节点按受力特点不同，分为刚接连接节点与铰接连接节点。钢柱脚为刚接的刚架，其柱顶的横向水平变位较小，可以节约材料，但由于柱脚与基础连接处需要承受较大的弯矩，柱脚构造较复杂，所需基础较大。与此相反，柱脚为铰接的刚架，虽其柱顶的横向水平变位较大，材料较费，但柱脚与基础连接处没有弯矩，受力情况较好，柱脚构造简单，所需基础尺寸较小，安装也方便。此二者各有优点，应合理选用。在一般情况下，刚架无吊车且对柱顶横向水平位移控制不严时，柱脚锚固连接宜采用铰连接节点，反之有吊车且刚架对柱顶横向水平位移控制严格，应采用刚接连接节点。柱脚刚接节点可采用螺栓刚接和埋入式刚接，按照强节点弱构件原则，宜采用埋入式刚接柱脚，但埋入式刚接柱脚既不节省材料，混凝土杯口基础施工也复杂，故习惯采用螺栓刚接连接形式，但在地震烈度大于7度（0.10g）,跨度大于27米且有重型吊车时，应采用埋入式柱脚。

3.2.2、轻型钢屋盖结构的布置设计

轻型钢屋盖结构包括屋架、檩条和支撑等构件。设计时要将这些构件合理布置，形成一个完整的抗力体系，使屋盖结构成为一个有效的空间整体，达到既安全适用又经济合理的目的。具体来说，就是要确定适宜的屋架间距和檩距，并设置必要的支撑。

1）屋架间距。屋架间距的大小直接影响屋架本身的用钢量。对于有檩体系的屋盖，从用钢量来考虑，应使屋架和檩条的总用钢量为最少。跨度已定的屋架，合理的屋架间距不仅能够控制主体刚架的用钢量，还能使屋面檩条达到最省。结合市场常用檩条规格，屋架间距经常采用6~9米。

2）檩条间距。檩条是支承屋面构件的，檩条布置的疏密首先与采用的屋面板强度有关。根据工程实践和经验，在满足屋面板强度间距要求下，檩条布置得尽量大，能够充分利用檩条强度，施工也方便快捷。屋面板采用轻型彩钢板时，檩条间距约为1.5m。为保证檩条的上翼缘稳定，檩条拉条应按照有关规范设置。

3）屋架支撑。支撑就是风撑、剪刀撑等的统称。也有叫拉撑的。布置在屋盖结构问的支撑有水平支撑、垂直支撑和系杆(撑杆)等。这些支撑的作用，是把屋盖结构的各屋架、檩条等单独的构件联成一个整体的屋盖结构，保证屋盖结构构件在安装和使用时的稳定，增强房屋的整体刚度，把风力、悬挂吊车等引起的水平荷载传递到柱顶，并通过柱间支撑传递到基础。轻型钢屋盖结构支撑的布置，与屋盖结构的类型及跨度、屋面构件的类型及同屋盖结构的连接情况、支承屋盖结构的墙或柱的刚度，以及有无吊车等因素有关。一般说来。房屋跨度不大，屋面构件与屋盖结构连接成可靠的整体，能保证在使用和安装过程中有足够的稳定性和刚度的，可以少设甚至不设支撑。否则，必须设置支撑。对于使用过程中要求有较大刚度的屋盖(如有悬挂吊车设备的屋盖结构)，则需要增加支撑设置的密度和强度。

3.2.3、轻型钢檩条设计

檩条的用钢量在房屋结构中所占的比重较大，因此减少檩条的用钢量是节约钢材的主要途径之一。根据经验，节约檩条用钢量的有效措施是增大檩条间距、选用合适的檩条连接形式及减小屋面材料的重量等。屋面通常采用加肋轻型彩钢板。檩条支座间距较小且屋面荷载较小时，檩条在支座通常铰接，截面常采用C型卷边形式；檩条支座间距大且屋面荷载大，为控制檩条截面高度，檩条在支座通常刚接，截面常采用Z型卷边形式。屋面檩条应尽量避免采用用钢量大的槽钢，否则应调整屋面间距。

4、结语

近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，门式刚架这类结构以其轻型、美观、造价低、工期短、适用范围广等优点而获得广泛的应用。因此，结构工程师为了发挥其特点，在设计过程中对厂房结构进行优化设计就显得非常的有必要。

参考文献：

[1]苑辉主编.钢结构设计.中国计划出版社,2006年8月.

[2]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.

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