轻型门式钢架结构设计探讨

刘坚

中航工业昌河飞机工业集团公司江西景德镇333002

摘要：门式刚架轻型钢结构作为工业厂房的结构形式，获得广泛的应用。本文基于其用钢量低、重量轻、造价低、适用范围广等优点，对轻型门式刚架结构的内涵、形式、布置、支撑及刚架、附属结构构件和柱距等设计进行了详细阐述。

关键词：工业厂房；轻型钢结构；门式刚架；柱脚；

0前言

随着钢材的轻型层面材料技术进步，建筑钢结构门式刚架结构，由于重量轻、结构独特、强度高、性能好，钢结构件生产工厂化、造价低、工程周期短，可拆卸利用、环境污染少等优点备受建筑行业的亲睐，被广泛应用于厂房当中。当前，门式刚架结构工业厂房结构设计主要任务是体现刚架结构经济与安全的完美结合。

1.轻型门式刚架结构

1.1刚架结构内涵

轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H型钢、热轧H型钢或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架作为主要承重骨架，以冷弯薄壁型钢材为檩条，压型钢板、压型不锈钢材料为墙面、屋顶，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的一种轻型房屋结构体系。

1.2结构形式

轻型门式刚架结构主要有：门式刚架、支撑体系、檩条、墙梁、1所示屋面板、墙面板、吊车梁系统等（如图）。门式刚架有有单跨、双跨和多跨，也有单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡等。

图1轻型门式钢架结构组成图

1.3结构布置

刚架的建筑尺寸和布置。门式刚架跨度控制在10～35m内为宜，如果柱宽度不均等，要向外侧对齐，其高度要视室内高度来合理调整，刚架之间的距离根据钢架跨度、负荷大小来确定。

檩条和墙梁的布置。檩条间距大小要综合考虑多种因素，例如天窗大小和个数、屋脊长度、采光度要求、檩条长度和刚度等，通常采用等间距布局。侧墙墙梁的设计要根据窗户、门和雨搭的设计要求来综合权衡。

1.4支撑和刚性系杆的布置

①.在每个温度区段内都要保证其具有独立的空间稳定性结构；

②.柱间支撑开间设计时，要对屋盖做横向支撑结构设计，提高整个结构的几何稳定性；

③.端部支撑一般设置在温度区段端部的第一二个开间位置。柱间支撑之间的距离根据房屋纵向受力分布情况来确定；

④.房屋较高时，采用分层结构的柱间支撑体系。房屋宽度超过50m，内部要采用支撑结构；

⑤.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；

⑥.在刚架的转折处，要根据房屋的长度来设置刚性系杆，以保证房屋结构稳定性；

⑦.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；

⑧.刚性系杆也可以采用檩条材料替代，此时要保证檩条具有良好的受力和刚度性能，也可以考虑在刚架斜梁间加装H型钢或者钢柱来提高其的工作强度；

⑨.屋内设置重量超过5t的吊车，采用型钢材料的柱间支撑设计，如果不使用柱间支撑，可考虑用纵向刚架来替代。

2.轻型门式钢架结构设计

2.1刚架设计

⑴.荷载及荷载组合

①.永久荷载指结构自重和施加在结构上的各种外力之和，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。

②.可变荷载指屋面活荷载、屋面结构受力和积尘受力、吊车自重、风力影响等。

③.荷载组合。荷载组合要严格按照《建筑结构荷载设计规范》中相关规定配置，对门式刚架的设计，则可参考《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：98中的有关规定来设计

⑵.刚架内力和侧移计算

①.内力计算。可采用弹性分析方法来实现，具体计算方法主要采用杆系单元的有限元法或者称直接刚度法，结合计算机软件来实现。针对地震造成的外力负荷大小，可以采用底部剪力法来计算。通过计算出各种负荷组合的内力数据后，再确定截面的内力大小。控制截面的内力组合主要有：

A.最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值；

B.最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值；

C.最小轴压力Nmin和相应的M及V，出现在永久荷载和风荷载作用下，当柱脚铰接时M=0。

②.侧移计算

采用弹性分析方法来确定变截面门式刚架的柱顶侧移数据，取多次计算平均结果作为标准值。也可以适当扩大截面面积，采用刚接柱脚替代铰柱脚，把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

⑶.柱、梁设计

①.梁柱板件的厚宽比例大小和腹板最大弯曲形变利用率；

②.测算刚架梁柱构件的最大强度极限值；

③.梁腹板支撑体系的设计；

④.测算变截面柱在结构内的长度上限值；

⑤.测试变截面柱在结构内的物理稳定性；

⑥.变截面柱对整个钢架结构的稳定性影响评估；

⑦.斜梁和隅撑的受力大小和负荷强度测算；

2.2构件设计

⑴.压型钢板设计

①.要结合建筑用途、功能和使用寿命来确定压型钢板材料型号和规格。

②.压型钢板具有多种截面种类选择，波高越高，截面的刚度越大，负荷能力就更大。

③.压型钢板的强度和挠度计算方法是，选取单槽口的有效截面按受弯构件来综合计算。

④.压型钢板规格和参数指标还要满足其他特殊设计要求。

⑵.檩条设计

①.檩条的截面设计可以实腹式和格构式。檩条跨度小于8m，一般采用实腹式檩条为宜。

②.檩条采用双向受弯结构设计，受力分析时，以两个轴心为中心开展截面弯矩受力计算。

③.檩条安装之前要经过刚度、稳定性和形变大小等检测，合格后方可安装使用。

④.檩条还要达到其他使用标准规定。

⑶.墙梁、支撑设计

①.墙梁材料通常使用冷弯卷边槽钢，也可以采用卷边Z形钢替代。

②.墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。

③.墙梁之间要保持等距离设计，要在墙面的各边界处设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。

④.墙梁设计可以灵活决定，根据柱距大小灵活选择一个简支梁或者两个柱距连续梁设计。

⑤.门式刚架结构中，可采用按拉杆设计作为交叉支撑和柔性系杆设计。

⑥.刚架斜梁上横向水平支撑的内力大小计算，主要参考结构横向风力大小和水平桁架两个指标，并适当减少支撑对斜梁产生的负荷，压杆受力要剔除交叉支撑产生的负荷。

⑦.刚架柱间支撑的内力大小计算，主要参考两个指标，即结构纵向风力大小和纵向悬臂桁架。并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，压杆受力要剔除交叉支撑产生的负荷。如果一列支撑柱中设有多道支撑结构，可以平均计算每道支撑的纵向力。

2.3柱距的选择

厂房结构设计中最关键的工作是如何根据设计要求来合理布置柱网平面图。传统施工设计方法中，习惯将柱间距离控制在6m，并根据需要累加3m或者其的倍数。这种设计方法其实就是照搬了混凝土工业厂房的设计参数。针对这种方法是否适合门式刚架轻型钢结构设计，尚没有学者进行论证。但是，从经济成本的角度来看，柱距设计是否合理直接影响到整个厂房结构设计的经济性。这是因为:

⑴.门式刚架轻型钢结构的质量高低直接取决于用钢量多少，因此用钢量是评价其设计水平的关键指标。而柱距疏密直接影响到整个结构的用钢量(具体见以下工程案例分析)。

⑵.采用现代化建筑材料例如轻质面板材料来替代传统的钢筋混凝土建筑材料，突破了传统工业厂房设计方法和施工模式，提高了施工效率。在设计门式刚架轻型钢结构时，可以参照传统钢筋混凝土设计参数来控制柱间距离，以有效节约用钢量。

⑶.厂房钢材消耗成本还与钢材市场价格、钢材产品规格、构件标准化程度有较大关系。有时采用标准化钢材替代非标准构件所增加的额外成本费用十分可观。但是如没有柱距模数，构件标准化也毫无意义了。

因此，对于门式刚架轻型钢结构的设计，要紧扣柱距指标参数，计算出最佳柱距平面分布图，才能够在不影响整体设计质量的前提下，实现经济效率最大化。

3.设计注意事项

⑴.门式刚架结构构件强度较弱、弯折性较小，整个结构刚性较低，部件大多为薄壁轻质材料，运输和安装中要做好针性防护工作；

⑵.做好支撑结构整体布局和规划，做好墙体、屋顶与面板之间的对接处理，提高整体结构的稳定性；

⑶.设计时要考虑钢材生锈导致结构构件受力下降的问题；

⑷.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；

⑸.设计中要合理处理轻型化可能导致的屋面风力荷载过大等问题。

4.结语

门式刚架结构工业厂房结构设计应该从关键点上把握：保证结构的整体性，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，设计必须体现计算和构造的一致性。

参考文献

［1］CECS102:2002，门式钢架轻型房屋钢结构技术规程［S］．

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

［3］钱永旺.浅谈轻型钢结构厂房设计的几个问题[J].山西建筑,2008,26（12）:101-103．