单层轻型门式钢架结构的设计要点研究

摘要：随着我国钢结构业的不断快速发展，单层轻型门式钢架结构越来越受到人的关注。由于我国彩色钢板生产技术的成熟，钢板产量和质量得到了非常大的提高，使得我国轻型门式钢架结构的设计和应用也得到了新的发展。因此，研究单层轻型门式钢架结构的设计要点具有非常重大的现实意义。本文介绍了轻型门式钢架结构概述，阐述了单层轻型门式刚架结构的特点，最后介绍了轻型门式钢架主要结构方案的选择。

关键词：单层 轻型门 钢架结构 设计要点

前言

单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接构成的实腹式门式刚架，主要作为承重骨架。同时，单层轻型门式刚架墙体及屋面一般是采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料和岩棉等保温隔热材料制作而成。目前在单层轻型门式刚架结构设计的过程中，单跨刚架的梁柱节点采用刚接。因此，加强研究单层轻型门式刚架结构的设计要点显得至关重要。

一、轻型门式钢架结构概述

目前，单层轻型门式刚架结构在我国已经应用了几十年，并且在这几十年中，我国的建筑工作者已经积累了丰富的理论和实践经验。随着我国工业事业的不断发展，单层轻型门式刚架结构的应用水平得到了较大的提高。当然，单层轻型门式刚架结构主要采用焊接 H型钢，跨钢架的梁柱节点采用的是刚接方式，但是，大多数建筑工作人员柱脚采用刚接和铰接并用的方式。

二、单层轻型门式刚架结构的特点

单层轻型门式刚架结构主要包括以下几个方面的特点，第一，质量轻。单层轻型门的围护结构大多采用压型金属板、玻璃丝棉和薄壁型钢等材料，这些材料的质量都比较轻。但是，这些材料的载荷较大不会影响建筑结构的承载力。第二，工业化程度高，施工周期较短。由于门式刚架结构的主要构件和配件大多都是由厂家制造的，质量一般较高，并且构架之间的连接多采用高强度螺栓连接，使得安装比较方方便，从而缩短工期。第三，综合经济效益高。门式刚架结构一般采用计算机辅助设计，使得设计周期较短，并且原材料也比较单一。同时，制造单层轻型门式刚架结构的构件主要是采用自动化制备，因此，资金回收较快，综合经济效益高。

三、轻型门式刚架结构设计中的注意事项

1、由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。

2、要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。

3、设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。

4、门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以应该采用弹性设计方法。

5、设计中对轻型化。带来的后果必须注意和正确处理，比如屋面在风吸力作用下的失稳问题。

四、轻型门式刚架结构设计要点

1、屋面荷载取值

（1）屋面永久荷载取值

屋面永久荷载包括屋面结构构件的自重，如屋面、檩条、支撑等构件。

（2）屋面活荷载取值

门式刚架结构设计屋面结构，《钢结构设计规范》规定活荷载为0.5KN/m2，但构件的荷载面积大于60 m2的可乘折减系数0.6，门式刚架符合此条件，活荷载取为0.3KN/ m2，根据我对其它资料的查阅，国外这类房屋设计时，要考虑0.15-0.5N/ m2的附加荷载，我国无此规定，当檩条太小时候，遇到大风或其他原因造成超载，很容易出安全问题，因此屋面活荷载的取值不能再小。

2、柱网布置的合理性

厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。过去我们设计习惯上将柱距模数定为3m（常用3m，6m，9m，12m等），这实际上是照搬了预制钢筋混凝土工业厂房的模数制。对门式刚架轻型钢结构并不是完全适用，门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。同过已往多个工程的设计实践，我在门式刚架设计过程中对柱网安排得出以下结论：

（1）对门式刚架轻型钢结构体系而言，刚架用钢量是最主要的，当刚架跨度较小时，刚架用钢量甚至占总用钢量的50%以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量只占比例较小的一部分，因此，在设计门式刚架时要更加精确仔细，这样对降低总用钢量具有重要意义。

（2）随着柱距的增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，并且增幅较大，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量逐渐占主要地位，并最终超过了刚架的用钢量。其次是檩条，因长细比的要求，用钢量增加也较快。

综合各项用钢量，我在设计时通常做出几个方案进行用钢量的比较，最终找到最佳的合理柱距。

3、刚架内力和侧移计算方法

（1）内力计算方法：

对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。

（2）侧移计算方法

变截面门式刚架的柱顶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。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；

4、柱脚设计注意问题

（1）在工程实例中，有的刚架在大风时柱子被拔起，其主要原因不是刚架计算失误，而是设计柱间支撑时未考虑支撑传给柱脚的力，尤其是房屋纵向尺寸较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，若柱脚没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，如锚栓端部设锚板等。