门式钢架结构的稳定性设计研究

钱 晨

（南通市中房建筑设计研究院有限公司，江苏 南通226000）

1 门式钢架结构稳定性的基本表现

门式钢架结构由柱网、檩条、拉条、撑杆、斜梁、山墙骨架等构成。由于具有明显的稳定性，因此被广泛应用于厂房、超市、库房等的仓储式建筑当中。其稳定性的基本表现如下：相比于外形类似的排架，门式钢架的横梁和立柱是刚性整体连接在一起的，可以承受垂直分布荷载作用下所传递的弯矩，有利于控制横梁跨中的弯矩峰值，而排架横梁和立柱的连接方式是铰接，在均匀分布荷载的作用之下，其跨中弯矩的峰值要大于门式钢架。因此，在钢结构稳定性方面，门式钢架结构的优势更加明显。譬如无铰门式钢架的柱脚和基础固定连接，结构的内力分布较为均匀，只要地基条件符合要求，柱脚产生的轴向压力或者水平剪力等，就能够一起作用在基础之上。因此结构刚度比较大，能够满足良好地基条件下的钢结构稳定性需求。再如两铰门式钢架，其柱脚和基础的连接方式是铰接，无论是竖向荷载作用，还是水平荷载作用，其弯矩受荷能力都远远大于无铰门式钢架。最大的优点是钢架的铰接柱基都不用承受弯矩作用，基础的转角基本对其结构内力不会产生影响。由此可见，门式钢架结构具有明显的稳定性特征，但如何发挥这种结构的稳定性，需要从设计的角度对其构件进行逐个分析。

2 门式钢架结构稳定性的设计研究

门式钢架结构稳定性的设计内容，包括主体钢架结构、支撑结构、屋顶墙体的檩条、拉条、撑杆等的稳定性设计。具体内容如下：

2.1 承重结构稳定性设计

门式钢架结构的承重结构稳定性，与钢架的间距、跨度以及屋面的荷载等因素相关。结构柱距的变化，钢架的用钢量也会随着变化。譬如前者增大以后，后者就会逐渐下降，这说明门式钢架结构的承重稳定性设计，必须设计优化好最佳的柱距。门式钢架的承重结构组成部分是钢架和基础，在连接钢架、墙梁、压型钢板之后与支撑共同完成钢架结构体系的受力。在设计时需根据建筑物的侧向位移和变形限值要求，用门式钢架结构代替传统的排架结构，减少钢架承重结构的用钢量，这样就能够制定出较为合理的承重结构方案。

2.2 支撑结构稳定性设计

门式钢架的支撑结构主要依靠刚性系杆构件，其设计的主要内容是型钢或钢管的选用，刚性系杆通过螺栓铰接于钢架，并根据系杆构件截面的面积，计算出压杆稳定性的基本系数，尤其是钢架的转角或屋脊的连接位置。此外，刚性系杆之间的距离，也要满足钢架结构平面稳定性的基本需求，一般刚性系杆要采用类似于吊车梁等刚度比较大的材料。同时，为了起到水平支撑的作用，还需要用拉杆或压杆支撑的方式，前者适用于对水平位移或变形要求不高的建筑物，满足较小的水平力作用抵抗要求，后者则要综合考虑各个温度单元的中间位置，并在满足有关设计规范的前提下，将屋面梁间的水平支撑和柱间垂直支撑共同设置在同一个开间内。水平支撑除了以上的设置要求，还要在位于建筑物端部的温度缝两边开间等位置，设置水平支撑，以发挥空间协同的作用。关于水平支撑构件截面的大小，需要考虑支撑结构对纵向水平力作用的适应程度，然后通过水平力作用大小确定截面的面积，纵向水平力要求通过受力计算进行确定。

2.3 檩条稳定性设计

受弯构件是体现门式钢结构稳定的主要构件之一，檩条就是门式钢结构的重要受弯构件。在对其稳定性进行设计的时候，需对沿着截面形心两个主轴方向的内力进行分析，然后计算出弯矩的强度、变形、稳定性等参数。檩条的压弯板件宽度和厚度都比较大，在受力状态下，呈现的形态是屈曲，由此其强度的计算必须考虑面板约束的有效性与否，并减弱原来截面的强度，譬如采用钉孔法进行减弱。笔者认为计算时采用净截面，是提高檩条应力的关键。不仅如此，檩条的作用不仅仅用于屋面板和悬挂面板等的支撑，还用于钢架梁柱隅撑，由此隅撑的增设具有一定必要性，以便将钢架平面以外的计算长度缩短，这是提高钢架平面外结构稳定性的关键所在。

2.4 拉条和撑杆稳定性设计

拉条的作用是在檩条侧向刚度不足的时候而设置的结构构件。某些檩条的侧向刚度比较大，因此不需要设置拉条，譬如轻型H型钢等；而某些檩条的侧向刚度比较薄弱，则需要在檩条中间设置拉条，以起到侧向支撑的作用，从而避免檩条出现侧向变形或者扭转的情况，确保结构整体的稳定性。一般考虑是否设置拉条，要结合檩条的跨度，如果檩条跨度4～6m，则拉条设置的位置是檩条跨中；如果檩条的跨度在6m以上，则拉条设置的位置在檩条跨度的三分点位置，而且还要将斜拉条设置于檐口位置。拉条的直径，要结合荷载的大小和檩条距离的大小，在8～12mm之间选取。除拉条外，撑杆也是维持檩条稳定性防止檩条失稳的关键构件，用于对檐口、天窗缺口位置边檩条侧向弯矩的限制，撑杆的常见类型有钢管、方管、角钢等，在设置撑杆的同时，需要设置斜拉条。

3 结语

综上所述，门式钢架结构具有明显的稳定性，被广泛应用于厂房、超市、库房等的仓储式建筑中。如两铰门式钢架，其柱脚和基础的连接方式是铰接，无论是竖向荷载作用，还是水平荷载作用，其承受荷载的能力都远远大于无铰门式钢架。其最大的优点是钢架的铰接柱基都不用承受柱底弯矩作用，基础的转角基本对其结构内力不会产生影响。关于门式钢架结构稳定性的设计，包括承重结构、支撑结构、檩条、拉条、撑杆等内容，在设计的时候需要根据建筑物的侧向位移方向和变形大小，并考虑支撑结构对纵向水平力作用的适应程度，对沿着截面形心主轴方向的两个内力进行分析，然后计算出弯矩的强度、变形、稳定性等参数，以全面提高门式钢架结构的稳定性。

[1] 蓝碧峰.轻型门式钢架结构工程浅析[J].科学与财富，2012（8）：147.

[2] 万春.轻型门式钢架结构的设计和应用[J].四川水力发电，2010（4）：87-88.