对房屋建筑中门式刚架结构设计若干问题的讨论

摘要：本文结合新的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》对门式刚架设计中的若干问题进行了讨论。

关键词：房屋建筑；门式刚架结构；设计

Abstract: This paper combine with the new portal frame light house steel technical regulations discussed portal frame design in a number of issues.Key words: building construction; portal frame structure; design

中图分类号：TU209 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

门式刚架轻型房屋自重轻，用钢省，造价低；抗震性能好，在抗震设防烈度为7度及以下地区不考虑抗震设计；可跨越较大跨度；制作简单，施工周期短且不需要大型施工机具；形式美观有现代感，能充分满足使用要求。广泛应用于具有轻型屋盖和轻型外墙；刚架跨度不大于36米，檐口高度不大于15米；无吊车或起重量不大于20吨的A1~A5工作级别吊车的单层房屋钢结构。

1. 门式刚架结构平面布置

1.1门式刚架轻型房屋结构的温度区段长度：纵向温度区段不大于300米；横向温度区段不大于150米。

当需要设置横向伸缩缝时，可用两种做法：一种简单但比较昂贵的处理办法是在伸缩缝处采用双刚架，刚架的间距以保证柱脚底板不相碰为依据。以双刚架为界，结构两边各自具有独立的檩条、支撑和维护板系统，其中屋面板和墙面板使用可伸缩的连接件相连。在纵向伸缩缝处需要设置防火墙的情况下，这种处理方法是必须的。

另一种方法较为经济，具体办法是：在伸缩缝处只设置一榀刚架，而在伸缩缝处的檩条上，设置椭圆长孔来吸收该点的热位移。

1.2单层门式刚架的跨度，一般情况下以跨度为21~30米时比较经济。

1.3刚架的合理间距

刚架的用钢量一般来说随其间距额度增大而减小，但吊车梁，檩条，墙梁的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6~9米为宜；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.5~5为宜。对于有10吨以上吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6米为宜。

2.门式刚架轻型房屋钢结构形式

2.1在门式刚架轻型房屋钢结构体系中，屋盖宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条，主刚架可采用变截面实腹刚架，外墙宜采用压型钢板墙面和冷弯薄壁型钢墙梁。住刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘出平面的稳定性，由与檩条和墙梁相连接的隅撑来保证。主刚架间的交叉支撑可采用张紧的圆钢。

2.2根据跨度，高度和荷载不同，门式刚架的梁，柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字形单轴对称或双轴对称截面或轧制H形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形。结构构件在一个安装单元内一般不改变翼缘截面，当必要时，可改变翼缘厚度；邻接的运输单元可采用不同的翼缘截面，两单元相邻截面高度宜相等。

2.3门式刚架的柱脚多铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚锚栓。当用于工业厂房且有5吨以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。对于有桥式吊车的房屋，中柱不宜采用摇摆柱。

2.4门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1/8~1/20，在雨水较多的地区宜取较大值。

3. 基础形式的选择

基础应根据建筑物所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑，对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，又上部结构传至柱脚的内力较小，一般以独立基础为主。若地质条件较差，可考虑采用条形基础，遇到不良地质情况，可考虑采用桩基础。钢架柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹（C15、C20混凝土即可，保护层厚度不应小于50mm），并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面不小于100mm。钢架柱脚与基础连接的预埋螺栓不应采用冷拔钢筋，应采用Q235钢或Q345钢。锚栓的直径不宜小于24mm，且应采用双螺帽。

4. 支撑体系的布置

在每个温度区段或分区建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

柱间支撑宜于屋盖横向水平支撑布置在同一开间，以组成几何不变体系。如不能布置在同一开间，则应加设刚性系杆传力。各道支撑的间距，当无吊车时宜取30~45米。有吊车时，可在适当加大支撑间距的同时提高支撑的刚度，一般宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时设在三分点处，且间距不宜大于60米。

当建筑宽度大于60米时，在内柱列宜适当增加柱间支撑，当不能设置交叉支撑时，可设置纵向刚架或刚架式门式支撑。

当有驾驶室的吊车吨位大于15吨时，应在屋盖边缘设置纵向水平支撑。

当无吊车且檐口高度不大于9米时，宜仅设单层柱间支撑；当檐口高度大于9米时，可根据支撑的夹角设置双层柱间支撑。交叉支撑与水平夹角以45度为佳，不宜大于55度。有吊车时，应以吊车梁兼做纵向系杆设置上下两层柱间支撑，端开间可不设置下层支撑以减少吊车梁的温度应力。所有横向支撑纵向支撑均应与屋盖梁天窗架等构件及纵向杆系组成几何不变的桁架形式。

5. 钢材质量等级和焊缝质量等级

门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B、Q345B及以上等级的碳素结构钢和低合金高强度结构钢，质量等级为A级的钢材不适宜做焊接连接的构件。原因是这种类型的钢材不保证焊接要求的含碳量限值，不保证冲击韧性和延性。比如檩条，不焊接，用普通螺栓连接，可采用Q235A。根据构件的重要性和受力性能及焊缝的受力情况确定焊缝等级。通常板材的等强对接焊缝(梁柱端板的对接焊缝)、梁上受拉、受弯的对接焊缝应采用剖口全熔透对接焊缝，其焊缝质量等级为一、二级，其它角焊缝因其应力集中较严重，内部探伤困难，其质量等级一般只能是三级。

6. 梁柱连接节点

少数设计的门式刚架，想节省钢材，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，但混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。所以此时梁柱只能铰接，不能刚接。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变,是不可行的。由于连接不同，构件内力也不同，有的工程斜梁很细，就是这个原因造成的。

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。当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力作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，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，承载力高于平齐式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结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。

7. 拉条和撑杆

屋面设置拉条的目的是为了防止檩条的整体失稳，故在檩条受压翼缘处设置拉条，以前屋面板重，故拉条设置在靠近上翼缘1／3处，但现在厂房屋面多采用彩钢板，较轻，在风吸力作用下，檩条的下翼缘容易失稳，而上翼缘由于考虑到屋面板的蒙皮效应，稳定有保证，故将拉条下移至距下翼缘l／3处，但是如果屋面没有内层板，且外层板为咬合板或暗扣板，宜在檩条上下翼缘l／3处各设一道拉条，以保证檩条上、下翼缘不能同时失稳。屋脊处和檐口处都宜设置斜拉条和撑杆(尤其在风大的地区)，这样才能形成檩条的一个完整的支撑体系。

8.结束语

钢结构的设计使用年限为25年，但应说明的是一般钢结构，包括冷弯薄壁型钢在内的设计使用年限均可达25年，但构造的压型板、防火涂料、防锈涂装则不在此限。应通过正常的维护和检修，来达到设计使用年限。