门式刚架结构在单层工业厂房中的设计分析

摘要：门式刚架结构目前在单层工业厂房中得到了广泛的应用，本文结合某工业厂房的施工实践及相关资料，根据方案与材料的选择，详细论述了门式刚架厂房施工的要点、流程及注意事项，可为类似工程提供参考与借鉴。

关键词：钢结构；厂房设计；材料选择

Abstract: the door frame structure is currently in the single industrial workshop in a wide range of applications, this paper in combination with an industrial plant construction practice and related material, according to the design and material choice, discusses the door frame of the construction of the factory building, processes and key points of attention, can provide reference for similar project and reference.

Keywords: steel structure; Plant design; Material selection

中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：

0引言

门式刚架结构因其自重轻、施工速度快、工业化程度高、抗震性能好、构件工厂制作、安装方便、综合经济和社会效益好、环保等优点在工业建筑工程中被广泛应用，并因此成为钢结构房屋体系中发展最快的一种。2002年国家颁布了CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(以下简称《门刚规程》)，为门式刚架结构的应用和发展创造了更有利的条件。

1 项目概况

上海新研工程有限公司厂房为大跨度单层四跨厂房，厂房上部结构采用钢结构，基础采用钢筋混凝土独立基础。跨度为18m，柱距为7.5m，全长120m，车间内设有四台吊车，为28t/5t桥式吊车和10t中级(A5)电动单梁吊车，工字形钢吊车梁，吊车轨顶标高为9.8m及11.0m，柱顶标高为11.3m~14.2m，护采用彩色钢板夹聚苯乙烯保温板。其中28t/5t桥式吊车那跨柱子采用的是格构式的柱子，缀条式构件。

2设计方案

2.1结构形式分析

对于设计人员，如何确定工业厂房结构形式是非常重要的。工业厂房一般有以下几种结构形式：砌体结构、钢筋混凝土排架结构、钢结构。砌体结构适用于跨度比较小、无起重或小起重设备的厂房；钢筋混凝土排架结构是工业厂房最常用的结构形式之一，但由于其刚度大、自重大，地震力也大，占用场地大、施工工期较长；而钢结构厂房(特别是门式刚架厂房)相比有以下优点：

1)自重轻、柔性好、抗震性能好；

2)安装方便、施工工期短；

3)轻钢结构是一种绿色环保结构，具有较高的利用价值。由于本工程厂房跨度较大，起重吊车吨位较高，施工场地小，工期要求短，所以选择了门式刚架结构。

2.2柱距、跨度设计

工业厂房结构布置中，在满足场地的条件下，符合设备布置、工艺合理的要求下，应优先考虑厂房的最优柱距和最优跨度。对于常用刚架厂房，其跨度一般为9m～36m。在选择厂房跨度时，不宜盲目追求大跨度或小跨度，而要根据实际情况，选择合理的经济跨度。

2.3荷载取值

门式刚架厂房结构主要荷载为吊车荷载、竖向自重荷载、雪荷载、屋面活荷载、风荷载等。计算钢梁时《门刚规程》规定屋面活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2时，取值为0.3kN/m2；雪荷载按照《建筑结构荷载规范》中的要求进行计算，根据不同类别的屋面形式，屋面积雪分布系数按表6.2.1采用，但必须注意表中的小注，否则就会出错。屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。

吊车荷载是工业厂房的最主要荷载，分为吊车竖向荷载和吊车水平荷载。按照《建筑结构荷载规范》中的要求，吊车竖向荷载标准值，应采用吊车最大轮压或最小轮压；吊车横向水平荷载取值时一定要分清软钩吊车和硬钩吊车，取值是不一样的。在此特别注意的是GB50017-2003钢结构设计规范在计算重级工作制(A6～A8)吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接的强度时，应考虑由吊车摆动引起的横向水平力HK(此水平力不与建筑结构荷载规范规定的吊车横向水平荷载同时考虑)，HK=apk.max，通常情况下此横向水平力要比建筑结构荷载规范规定的吊车横向水平荷载大。

2.4刚架梁柱设计

门式刚架是梁、柱单元构件的组合体，是主要的承重构件。刚架梁柱的截面尺寸应根据其跨度、柱距、屋面荷载及吊车吨位确定。一般门式刚架由变截面的实腹焊接工字型或轧制H型截面柱和梁组成。刚架斜梁一般情况下，当跨度小于24m时采用等截面，当跨度不小于24m时采用变截面。在门式刚架厂房结构体系中，常采用单跨、双跨、多跨、双坡或单坡的单层门式刚架。

屋盖宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条；外墙宜采用压型钢板墙面板和冷弯薄壁型钢墙梁。通常厂房外墙在离地面1.5m高范围内采用砖砌体，以防腐蚀、碰撞发生损坏。

3材料设计

3.1钢材设计

作为设计人员，应充分了解各种型号钢材市场价格后，对钢材的选用进行优化设计，并根据截面强度和结构变形等不同强度选用相应的钢材。一般厂房的门式刚架等构件宜采用Q235-B或Q345-A的钢。

3.2螺栓设计

对于厂房门式刚架的柱与梁、梁与梁的连接，一般采用高强度螺栓(8.8级或10.9级)。在设计说明中应给定高强度螺栓的性能等级和连接材料的摩擦数。目前厂房设计一般用摩擦型连接。地脚螺栓一般采用C级螺栓，C级螺栓与构件固定后，应采用双螺帽或将螺丝丝口打毛等其他有效措施，防止松动。

4连接节点设计分析

连接节点的设计是钢结构设计中重要内容之一。钢结构的连接方法可分为焊接、铆接、普通螺栓连接、高强螺栓连接。

4.1梁柱或横梁节点设计

工业厂房一般情况下梁柱或横梁节点的连接采用高强螺栓连接或高强螺栓焊连接。

端板连接是门式刚架目前实际工程中应用最多的梁柱或横梁间节点连接类型，主要有外伸式、平板式、外伸式加肋等几种形式。加劲肋能大大提高节点抗弯能力，有效减少螺栓数量和端板厚度，故一般优先选用外伸式加肋的节点形式。

对于有吊车及大跨度，大荷载厂房的梁柱节点，应采用全焊与螺栓焊连接节点，此焊连接节点具有节点转动刚度大，工程费用低，但高空焊接工作量大。

4.2柱脚连接设计

厂房的钢柱与混凝土基础通过锚栓连接形成了柱脚。柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。确定柱脚的刚接和铰接，关键在于锚栓布置。柱脚的区别在于对侧移的控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，其余情况下，柱脚可设计成铰接。另外，如果底板和基础顶面的摩擦不能满足柱底剪力的传递要求，则须设置抗剪键，通常对有吊车的厂房需设置抗剪键。本工程就设置了抗剪键。

5防腐蚀和防火设计分析

5.1防腐蚀设计

钢结构的优点非常多，但它生锈腐蚀是一个致命的缺陷。钢结构的腐蚀不仅可能造成巨大的经济损失，也给结构的安全带来了隐患。本人曾经遇到过某选煤厂主洗煤车间，由于经常用水，车间内环境非常潮湿，导致钢结构厂房下部工字形钢柱结构腐蚀非常严重，有的柱腹板、翼缘板局部已腐蚀透，给主洗煤车间造成非常大的安全隐患。所以钢结构的防腐蚀设计和施工非常重要。

钢结构的防腐包括防锈和涂装：

1)钢结构的防腐关键在于除锈。只有彻底除锈才能消除隐患。除锈宜用喷砂或抛丸除锈，除锈等级不低一般为Sa2.5；2)钢结构表面在涂底漆之前，应彻底清除铁锈、焊渣、毛刺、油污、漆层、积水、积雪及泥土等；3)在钢结构表面刷防腐涂料，并应给定涂膜厚度。

5.2防火设计

根据GB50016-2006建筑设计防火规范中的要求进行防火设计。钢结构耐火性能差，其耐火极限仅为15min，厂房是否进行防火设计应根据厂房的生产类别和耐火极限来确定，对于耐火等级为二级的厂房，当厂房的生产类别为丁、戊类时可不进行防火设计；对于厂房的生产类别为甲、乙、丙类时应进行防火设计。必须对钢结构构件表面采取防火措施，主要有：涂抹防火涂料；将耐火轻质板作为防火外包层；在构件浇筑混凝土或砌筑耐火砖。一般门式刚架的承重钢结构宜采用防火涂料防火。板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料，柱采用厚型防火涂料。

6结语

综上所述，本车间建成投产后，使用良好，获得了建设单位的一致好评。作为工程设计人员，先后完成了多项门式刚架厂房的设计，取得了一些设计经验。

随着门式刚架结构设计和施工技术的日益成熟，门式刚架在工业厂房中的应用前景非常广阔。设计师一定要与时俱进，时刻掌握设计新理念，设计出更加经济、合理、安全、环保的门式刚架结构厂房。

参考文献：

[1]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[3]GB50009-2001，建筑结构荷载规范(2006年版)[S].

[4]04SG518-3，门式刚架轻型房屋钢结构[S].

[5]轻型钢结构设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。