门式钢结构设计问题分析

摘 要：近几年由于钢结构建筑物具有施工周期短以及造价成本相对比较低等特点，钢结构被应用在了大量的建筑物中，许多大型的钢结构建筑拔地而起，然而在钢结构的设计中还存在一些问题，本文较为详细的阐述了门式钢架结构在广泛应用于实际工程中的设计中应注意的一些问题，并进行了分析和探讨。

关键词：门式刚架；钢结构；设计问题；分析

Abstract: In recent years, the steel structure building has a short construction period and the cost is relatively low, the steel structure is used in a large number of buildings, many of the large steel structure buildings, but in the steel structure design there are still some problems, the paper expounds the type frame structure in widely used in practical engineering design should pay attention to some problems, and makes analysis and discussion.

Key words: portal frame; steel structure; design; analysis

一、引言

近几年来，门式刚架轻型钢结构成为我国发展最快的新型钢结构，这种结构具有自重小、造价低以及施工周期较短等优点，因此被广大的建筑结构设计工程师所接受，并且被广泛应用在工业厂房等建筑结构中，而且取得了比较明显的经济和社会效益。在设计时，刚架的用钢量和刚架的柱高、跨度以及屋面的荷载都有很密切的关系。现在的设计人员一般是根据《式刚架轻型房屋钢结构技术规程》与《钢结构设计规范》进行设计。然而由于对设计规范的不熟悉以及设计规范的不完善，以至于在钢结构的设计中出现不合理的现象，严重时甚至会造成建筑结构的安全隐患。

二、屋面支撑设计

在钢结构建筑设计中，设置屋面支撑系统主要是为了达到提高结构整体刚度的目的。只有充分的发挥结构的空间作用，才能保证钢结构的稳定性。因此，屋面支撑设计是整个门式刚架钢结构设计中的一个重要组成部分，对钢结构建筑的质量安全具有重大意义。钢结构房屋应该在横梁上翼缘平面设计横向的水平支撑结构，以确保刚架横梁的稳定。然而有的结构设计人员在进行屋面横向水平支撑的设计时，为节约成本，不对直腹杆进行单独设计，而是由屋面的檩条兼作直腹杆。所以当山墙的风荷载向屋面传导时，檩条除了要承受屋面活载之外，还要同时承受山墙的风载造成的轴向压力，造成该结构要处于高压的状态，但是一般结构设计的檩条为双向受弯的构件，因此两者所受的强度条件不同。因此在结构设计中檩条兼作直腹杆用时，必须经过认真的验算，使檩条的承载能力与长细比值都要满足规定和使用要求。所以在实际建筑工程的设计中，我们一般采用檩条和直腹杆进行分开设计的方法，只有这样的结构设计才能使檩条仅承受屋面的荷载，而风荷载造成的轴向压力让直腹杆所承受。

在进行屋面支撑的设计中，我们还需要注意的一个问题是檩条兼作横向水平支撑直腹杆用，此檩条的设计位置必须设计在横向水平支撑与交叉斜杆的相交的地方，而且承载能力及长细比值都要满足规定要求。当檩条兼作直腹杆时成为了横向水平支撑的一部分，与支撑中的交叉斜杆构成了一个三角形，具有几何稳定性，起到了刚架横梁侧面支点的用途。

三、山墙设计

钢结构建筑的山墙一般是由斜梁、抗风柱以及墙梁组成的墙架或者门式刚架。而采用门式刚架钢结构时，其连接构造和普通钢结构建筑相同。当山墙墙架的结构是由斜梁、抗风柱和墙梁组成时，由于相关规范的不完善，具体的链接构造一般是由设计人员自行设计的。山墙墙架在设计时将抗风柱和斜梁的下翼缘相连结，当风荷载进行传导时，墙架的斜梁不仅要承受抗风柱传来的侧荷载向力，而且还要承受侧向力的扭矩。如果房屋的跨度和高度较小时，侧向荷载较小，而且产生的扭矩也相应较小。但是房屋的跨度和高度较大时，侧向荷载较大，而且产生的扭矩对于刚架的斜梁的影响需要我们重视。这种情况下墙架的斜梁不仅受弯而且还受扭力作用。所以在抗风柱和墙架斜梁的下翼缘相连结时，必须在连接处设置撑杆，将山墙墙架的风荷载通过屋面的横向水平支撑传递到屋面钢结构系统，从而消除山墙墙架斜梁的受扭影响。

在一些工业厂房的钢结构设计中，山墙的墙架由于具有跨度比较小，斜梁以及抗风柱的截面尺寸比较小等原因，因此一般选用比较经济的门式钢结构山墙墙架的形式。但是在进行山墙墙架设计时，由于端部的第二榀门式刚架横梁的跨度以及其荷载都大于山墙墙架的斜梁的跨度以及荷载，所以该挠度也大于山墙斜梁的挠度。然而随着墙架的跨度增加，门式刚架的横梁的挠度也大于山墙墙架的斜梁的挠度。但是由于两者变形相差比较大，因此可能造成屋面发生开裂及渗漏的现象，会使雨水渗入到保温层中，增加屋面的荷载，对屋面的安全造成隐患。因此当建筑跨度比较大时，我们就要采用门式刚架山墙。

四、基础设计

在钢结构建筑的基础设计时，其柱脚的形式可以设计为铰接柱脚与刚接柱脚两种形式。铰接柱脚的设计时，由于基础仅受轴心荷载的作用，所以设计相对比较简单。

对于门式刚架的轻型钢结构建筑厂房来说，决定基础的受力特点的因素主要有以下几种：

（1）在厂房的钢结构设计时，需要对带动吊车的装置进行设计、计算，而吊车吨位比较大，在控制其横向水平位移时，必须设计柱脚刚接。

（2）因为钢结构的自振周期比较长，并且结构自重比较轻，所以设计时需要注意的水平控制荷载一般为风荷载以及吊车水平制动荷载。

（3）钢结构重量较轻，所以风荷载与吊车的水平制动荷载相对比较大，以至于基础偏心距比较大，往往最大的偏心距可以大约达到1.5m—2.0m。

（4）门式刚架轻型钢结构厂房的基础多设计为单独基础，并且埋深比较浅。

根据以上受力特点，对于钢结构工业厂房设计时，常常采用刚性柱脚，这种柱脚形式不仅可以提高钢结构的整体刚度，而且能减少侧移现象的发生。因此会产生比较大的弯矩作用在基础，在门式刚架钢结构体中这个问题特别明显。

对于钢结构建筑的基础设计时的一些可以采取以下措施加以解决：

（1）设计增加基础的压重：在钢结构建筑设底部加重墙，通常为粘土砖，并且使该重量通过地基梁传到基础上。在基础设计时，增加基础埋深对基础设计有两个变化：一、充分考虑深度修正后基础承载能力的设计值增大的现象；二、是使基础底面以上的压重增加，这种变化对降低偏心距来有有利的影响。

在实际工程中可以通过增加基础的埋深达到降低偏心距的目的，一、保持基础底部的标高不变，可以通过使混凝土基础的高度增加的方法来达到，这种方法还在增加由柱脚的水平剪力V，还会造成的附加弯矩V·H增加；二、降低柱底的标高，但保持H不变，这种方法可以使刚架柱的长度增加，而且会使柱脚的反力以及弯矩值增加。所以我们可以用增加基础的埋深的做法来降低偏心距ｅ，在设计时还必须要综合的考虑和衡量。使ｅ保持在一定的有效范围内，防止超出该范围后将引起负面的效应。

（2）采用偏心基础：这种方法只能适用在偏心距ｅ比较小的情况中，主要是根据基础本身受力偏心的原理，其相当于给一个较大的弯矩增加一个反向的弯矩，使基础能满足设计要求。

（3）采用桩基础：进行偏心距过大的基础设计时，可以采用以上的几种措施，当它们不能有效解决基础侧移过大的问题时，我们可以考虑设计采用桩基础的措施，但是这种方法不仅增加了设计和施工的复杂性，并且造价成本的预算与比较高，是门式刚架轻型钢结构建筑基础设计中不常采用的基础形式。

五、总结

我们设计人员不仅要熟悉各相关的规范要求, 还要注重对于相关设计知识的学习,才能对其进行切实、合理的应用。时刻关注最新的科技和技术成果,并积极将其应用到实际钢结构工程的设计中,促进科技与实践相结合的钢结构建筑发展。

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