关于门式刚架厂房结构设计的分析

摘要: 本文介绍了单层轻型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简单阐述。

关键词: 门式刚架；厂房；结构设计；分析

中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：

结构工程师在从事轻型门式刚架结构设计时应特别关注: 合理选用刚架结构形式、结构布置合理和正确确定荷载组合; 明确各类外力从作用点到基础的传递路径合理布置支撑体系; 在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间稳定体系，结构只有这样组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。设计者只有遵循以上几点才能在门式刚架结构设计中充分体现出设计项目的合理性、显示出结构体系的优越性。

1 结构方案

1.1 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。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架上可设置起重量不大于 3t的悬挂吊车和起重量不大于 20t 的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。

1.2 结构布置

1.2.1 纵向温度区段小于 300m，横向温度区段小于 150m。

1.2.2 柱距的合理布置。应考虑到工艺要求，用钢量的多少，屋面荷载，檩条的形式等因素。门式刚架的最优间距应在 6m ～9m 之间，柱距不宜超过 9m；在新疆的实际工程中大都采用6m或是7.5m的柱距，因为考虑到新疆大部分新疆厂房都处于戈壁滩当中，风荷载比较大，如果柱距过大则计算屋面檩条和墙梁时的跨度就比较大，计算出檩条和墙梁的截面就比较大，有时甚至需要采用口对口的形式（[]），这样无形之中就增加了工程的用钢量，造成浪费，所以间距的合理布置需要综合考虑各方面的因素，以求达到安全，经济的统一。

1.2.3 选择合理的跨度、高度；跨度应根据房屋的高度进行合理确定，跨度通常为 9m ～ 36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐，这样外挂墙梁时檩托的高度是一致的，加工檩托也较为方便，墙梁与彩钢板也在同一垂直面上，有利于施工，工期较为紧张的时候还可以节约工期。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取 4.5m ～ 9m。

2 荷载选择

2.1 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。

2.2 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。

2.3 荷载组合。荷载组合按照《建筑结构荷载设计规范》的规定，应注意悬挂荷载不可遗漏; 对于多跨多坡厂房或有女儿墙、天沟的厂房还应考虑风、雪荷载不利作用和活荷载的不利布置的影响，此外荷载规范5.4.3条规定积灰荷载应与雪荷载或不上人屋面均布荷载两者中的较大值同时考虑。

2.4高低跨屋面的荷载，荷载规范5.4.2条规定对于屋面上易形成灰堆处，当设计屋面板、檩条时，积灰荷载标准值宜乘以下列规定的增大系数：

（1）在高低跨处两倍于屋面高差但不大于6.0m的分布宽度内取2.0；

（2）在天沟处不大于3.0m的分布宽度内取1.4.

新疆尤其是北疆地区大部分处于寒冷地区，有些地区甚至处于严寒地区，进入冬季后，下雪较为普遍，而设计中工业厂房大多屋面采用自由排水的形式，经过冻融循环后在檐口处形成较大冰柱，高差较大的高低跨处低跨屋面还需要设置专门的防冰柱砸的措施，笔者认为，低跨处屋面的雪荷载也应该按照荷载规范5.4.2条规定积灰荷载那样考虑，增加工程的安全性和适用性。

3 刚架设计

3.1 刚架内力计算。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。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。变截面门式刚架宜按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应。

3.2 刚架侧移计算法。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。

3.3 刚架设计主要内容。梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用; 刚架梁柱构件的强度验算; 变截面柱在刚架平面内的计算长度确定; 变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算; 变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算; 斜梁强度和稳定性计算; 节点设计。

3.4 摇摆柱的合理设置。在多跨刚架中，中柱宜采用摇摆柱。摇摆柱的上下端均为铰接，理论上不具备侧向刚度，需要依靠与其相连的其他构件或体系提供侧向约束才能发挥作用。

3.5 抗风柱设置。抗风柱主要承受水平力，竖向允许和刚架产生相对位移，应注意抗风柱与刚架的连接形式，工程中常用的连接方式有抗风柱顶在刚架梁下方和与刚架梁腹板翼缘相连两种。

4 支撑体系

支撑体系主要包括屋面水平支撑和柱间支撑。其作用是将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定的整体结构; 为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点，减少构件平面外的计算长度; 明确合理简捷的传递风力、温度应力、地震力以及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。

4.1 支撑体系的计算

水平荷载不大的情况下，支撑受力较小，杆件截面尺寸由极限长细比确定。交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计入压杆的受力。柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。

4.2 支撑体系设置

在每个温度区段应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。设柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑。端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距一般取30m ～45m。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; 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; 当房屋内设有不小于 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。柱间支撑对无吊车的厂房宜采用柔性圆钢支撑; 当风荷载较大或抗震设防烈度大于 8 度时宜采用型钢支撑; 有吊车的厂房应采用型钢支撑。

4.3 刚性系杆的设置

在刚架的转折处应沿房屋全长设置刚性系杆。间距一般在刚架斜梁上 12m ～18m 之间，在刚架柱上约 8m，刚度较大的吊车梁等均可作为刚性系杆考虑。

5 其他构件

5.1 屋面檩条；当檩条跨度不大于 9m 时，应优先选用实腹式檩条。檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。

5.2 墙梁；墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边 Z 形钢。墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，属于双向受弯构件。墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上、下沿及窗框的上、下沿处应设置一道墙梁。

5.3 隅撑；通常通过设置隅撑来减小钢梁的平面外计算长度，保证钢梁的整体稳定。隅撑布置在钢梁的跨中或屋脊的弯折处。一般每隔一根檩条设置一道隅撑，间隔不宜大于 3m。设有隅撑的钢梁或钢柱的平面外计算长度可取隅撑间距。对于边柱，其上端内翼缘处于受压状态，应至少在柱顶墙梁处设一道双隅撑。

5.4 拉条的设置；屋面檩条应在屋脊和檐口处同时设置直拉条、斜拉条、撑杆，其他处仅设置直拉条，常采用圆钢做拉条。墙面处最上层墙梁应同时设置直拉条、斜拉条、撑杆，墙面有洞口处，应在拉条中断处均设置斜拉条和撑杆。

6 结语

随着我国经济的快速发展，轻型门式刚架房屋结构也得到迅速的发展，本文主要是针对单层轻型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进行论述。

参考文献：

[1] 张浩. 门式刚架设计的几个问题 [J]. 安徽工程科技学院学报，2005，20(3)：72-75.

[2] CECS102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[M].北京：中国计划出版社，2003.