浅谈轻型门式刚架结构设计

摘要：轻型门架钢结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，近几年来发展极快，但是采用这种钢结构的历史并不很长，在使用这种钢结构时经常发生质量问题，除材料因素之外，多数是由设计和施工经验不足造成的。本文总结了轻型门式刚架结构的特点，对结构设计中常见的问题进行探讨。

关键词：门式刚架结构设计轻型

一、轻型门式刚架结构的特点

门式刚架轻型房屋钢结构体系是由刚架、屋盖、围护体系、及相应的支撑所构成的结构体系。门式刚架与其它形式的建筑结构相比，具有以下优势：

（一）构件形式经济合理，结构质量轻

质量轻主要是由于围护结构的材料采用的是金属板与薄壁型钢，因而门式刚架的负荷较小，刚架自重也随之减轻。而基础结构是与上部结构密切相关的，刚架整体变轻了，对基础的要求就会降低，基础的尺寸可以做小。

（二）抗震性能好

门式刚架自重轻，地震反应较小，很适合在地震多发地区中推广使用。

（三）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，安装迅速。

（四）柱网布置比较灵活 传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以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。

二、轻型门式刚架结构设计探讨

（一）屋面荷载取值

如某汽车企业的总装厂房长度为184m，跨度为2X24m，高度为12m，建筑面积8925，屋面坡度1/20。该厂房带有2台5t电动单梁吊车，轨顶标高7.30m。厂房采用门式刚架结构，柱脚刚接，结构主材采用焊接H型钢，钢号为Q345-B。设计主要使用PKPM系列中的STS钢结构软件计算。屋面恒荷载取0.30kN/ (包括屋面金属绝热材料夹心板及檩条自重)，活荷载取0.50kN/。虽然《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102:2002)规定构件的荷载面积大于60的屋面活载可取0.30kN/，但遇到大风或其它原因造成超载情况，就可能出现安全问题，故笔者认为活荷载取0.50kN/较为稳妥。

（二）合理跨度的确定

不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度确定合理的跨度。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。门式刚架体系也存在经济跨度，因此不宜盲目追求大跨度。影响经济跨度的主要因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。这是因为荷载大则柱截面大；门式刚架的经济跨度常规范围在18～30m，吊车吨位较大时经济跨度在24～30m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18～21m的区间。因此，采用合理跨度也可以节省钢材，降低总造价，经济效益亦很可观。

（三）内力和变形计算

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（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。门式刚架钢梁的截面取值还应满足竖向挠度变形限值的要求。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：放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

（四）结构形式门式刚架的结构形式按跨度可以分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中推荐使用单脊双坡门式刚架，而不推荐多脊多坡门式刚架。这是因为在其他条件都相同的情况下，屋脊两侧各需要一根檩条，内天沟两侧也各需要一根檩条，从而多一个屋脊就需要多一根檩条，多一个内天沟也需要多一根檩条。这样就会增加檩条的用钢量以及落水管等附加设施的材料用量，内天沟处也会因为堆雪等而加大荷载。具体形式见下图。此外，对于单脊双坡多跨屋架，当用于无桥式吊车的房屋时，如果刚架柱不是特别高且风荷载也不是特别大，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜两端铰接的摇摆柱方案。

（五）梁柱连接节点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。

（六）选择正确的钢材质量等级和焊缝质量等级

按照相关文件的要求，在钢结构的设计中，必须标明应该使用的钢材质量等级(还包括相应的焊接材料型号)，并提出对焊缝的质量要求。通常来说，大部分钢结构均采用Q235B及以上等级的碳素结构和Q345B及以上等级的低合金高强度结构钢作为受力构件。这两种钢材有较强的冲击韧性和较好的延性性能，能保证钢结构工程的稳定性。在现代钢结构中，钢结构连接的最基本方法是焊接连接，焊缝质量的高低直接关系到整个钢结构工程的安全，所以在钢结构的施工中一定要重视焊接质量。一般来说，在一些重要的焊接方位焊接处的焊接质量不能低于二级。而剩下的位置，一般都可以使用角焊接。因为角焊缝会产生严重的应力集中现象，很难进行内部探伤，这种焊接只能算是三级焊接，在某些关键部位的角焊缝，其外观缺陷可以让其达到二级焊接的要求。

（七）抗震设计

门式刚架的特点，是结构自重较轻而且是低矮型的，地震作用可能对结构起控制作用也可能不控制，不能一概而论。要通过具体分析确定。当地震控制时，才需要考虑适当减小。关于连接的抗震设计，因为门式刚架采用端板连接，这是一种半刚性连接，设计合理的连接在弹性阶段可以视为刚性连接，但进入弹塑性阶段，由于连接的变形，将成为半刚性连接，它有较好的延性，此时不宜套用高钢规程中的抗震设计方法。在进行抗震计算时要注意以下两点：

1.门式刚架的抗震分析，可采用单自由度计算模型，根据受载面积，将框架质量集中在柱顶。当屋面坡度小于10°时，房屋高度可取檐口高度；当屋面坡度大于10°时，房屋高度取檐口高度和屋脊高度的平均值。山墙框架当房屋跨度较大应设置支撑。建议当房屋宽度等于或大于60m时，山墙框架宜对称设置支撑。

2.结构计算时，设计地震作用宜分别作用于刚架的两端，门式刚架为单层房屋，高度相对较小而长度较大，计算时将地震作用施加在山墙(侧墙)两端更接近地震惯性力的实际位置，若将地震作用仅作用于一端，将过于保守，得出的梁轴力将非常保守。另外，应对门式刚架、纵向支撑框架和山墙支撑框架(或框架)分别进行抗震分析。

三、结语

随着轻型钢结构在国内的不断发展，轻型钢结构将会大量应用于工艺更为复杂、功能更为齐全及较大跨度的建筑中去，设计人员只有熟悉并理解设计规程、规范，合理布置、结构设计准确、细部处理周到，在实践中不断总结经验，进行优化设计研究，在规范要求的前提下进行各设计参数的优化和优选，才能实现结构安全可靠和降低成本。

参考文献：

1. 饶芝英：《门式刚架轻型房屋钢结构设计的几点问题》，《建筑结构》，2000年第4期。

2. 韩方俊：《轻型钢结构设计轻量化的主要途径》，《工业建筑》，2000年第2期。

3. 李一凡等：《门式刚架轻型房屋的发展现状》，《钢结构》，2006年第2期。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。