单层门式刚架结构的设计要点

【摘 要】本文介绍了单层门式刚架结构的特点，并就整个结构体系的布置、单个构件的设计要点、设计中应注意的一些问题做了系统阐述。【关键词】门式刚架；结构形式；刚架设计；侧移刚度

中图分类号： TU328 文献标识码： A 文章编号：

引言门式刚架房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近二十多年来得到迅速的发展，目前国内每年有数千万平方米的轻钢建筑工程，主要用于厂房、仓库、体育馆、展览厅等。

单层门式刚架结构是指以焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种房屋结构体系。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板。

一、单层门式刚架结构的特点和设计中的注意事项（一）单层门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有以下特点：(1)质量轻围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。(2)工业化程度高，施工周期短门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接或栓焊连接，安装迅速。(3)综合经济效益高门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便等。所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益相对较高。（二）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)组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。(4)设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。(5)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，所以塑性设计不再适用。(6)设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理，比如风力吸力可使轻型屋面的荷载反向等。

二、结构形式和结构布置（一）结构形式门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。

（二）结构布置1、刚架的建筑尺寸和布置门式刚架的跨度宜为9~36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。。2、支撑和刚性系杆的布置(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。(2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，构成几何不变体系。(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。(5)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。(6)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。(7)当房屋内设有大于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。

三、刚架设计（一）荷载及荷载组合1、永久荷载永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。2、可变荷载可变荷载包括屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。3、荷载组合荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002的规定，针对门式刚架的特点给出下列组合原则：(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。(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》的规定。(5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。（二）刚架内力和侧移计算1、内力计算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。2、侧移计算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。（三）刚架柱和梁的设计(1)刚架梁柱构件的强度验算。(2)刚架柱在刚架平面内的计算长度确定。(3)刚架柱在刚架平面内的整体稳定计算。(4)刚架柱在刚架平面外的整体稳定计算。(5)斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。(6)节点设计。

四、小结

综上所述，门式刚架结构设计应遵守以下原则：

(1)保证结构的整体性。门式刚架属于平面结构，它们在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。(2)明确各类外力从作用点到基础的传递路径和传递全过程中产生的效应。(3)设计必须体现计算和构造的一致性。

【参 考 文 献】

[1] 钢结构设计规范（GB50017－2003）[s].北京：中国计划出版社，2003

[2] 门式钢架轻型房屋钢结构技术规程 [s]. 北京：中国计划出版社，2003

[3] 建筑结构荷载规范（GB50009－2001）（2006年版）[s].北京：中国建筑工业出版社，2006

[4] 柴昶，宋曼华.钢结构设计与计算（第2版）[J] 机械工业出版社，2006