轻型门式刚架结构的特点及设计要点

赵 研,龚桂林

(信息产业电子第十一设计研究院，四川成都610021)

门式刚架结构，是目前轻型钢结构中使用最广泛的结构形式之一，因节点刚接、形状似门而得名。门式刚架可以分

为单跨、双跨或多跨的单、双坡刚架，以及带挑檐或毗屋的刚架等形式，如图1所示[1-3]。

(a)单跨单坡

(b)单跨双坡

(c)单跨双坡带挑檐

(d)双跨双坡

(e)双跨四坡

门式刚架结构具有用钢量省、结构布置灵活、施工速度快、受力性能良好等优点，因而被广泛应用在轻型工业厂房、体育馆、展览厅、车站、仓库等工业与民用建筑中。然而，门式刚架结构在我国大量运用的时间还不是很长，部分设计人员仍会习惯性地按照普通钢结构的设计思路对其进行设计，因而在设计中存在一些不合理的地方，轻则浪费材料、降低经济效益，重则影响结构的安全性。本文从轻型门式刚架结构的特点出发，分析设计中容易出现的问题，供同行参考。

1 轻型门式刚架结构的特点

1.1 质量轻

轻型门式刚架结构的围护结构一般都采用轻型材料，屋檩和墙檩一般采用冷弯C形钢或Z形钢，屋面板和墙面板多采用压型金属板，因而结构自重较轻。即使是在工业厂房中，因为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)》(CECS 102：2002)[4]中规定轻型门式刚架结构中仅可设置起重量不大于20 t的A1-A5工作级别的桥式吊车或3 t的悬挂式起重机，结构所承受的总荷载相对也较小。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10～30 kg/m2，自重约为同等条件下钢筋混凝土结构的1/20～1/30。由于荷载较小，基础所用材料也较少，地基处理难度相应降低，结构地震反应也较小。

1.2 工业化程度高，施工周期短

轻型门式刚架结构的主要构件和配件均为工厂制作，质量更能够保证。将构件运到施工现场后，构件间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。

1.3 结构布置灵活，不受模数限制

传统的钢筋混凝土结构由于受屋面板等尺寸限制，柱距多为6 m，当采用12 m或其他柱距时，需设置托架等，较为麻烦。而轻型门式刚架结构的维护体系采用压型金属板，故柱网布置灵活，一般仅需考虑使用要求和用钢量。

1.4 综合经济效益高

轻型门式刚架结构设计周期短，原材料种类单一，构件采用自动化设备成批量生产，单位价格相对较低。且门式刚架结构施工周期短，资金周转率高，发挥投资效益快。

2 轻型门式刚架结构设计中需注意的问题

由于轻钢结构自身的特点与普通钢结构有较大区别，设计中应采取一些有针对性的措施，以保证结构的受力性能。已有许多专家、学者和工程技术人员对此问题进行过分析研究[5-8]，因此，本文仅对一些设计中常出现的问题进行总结。

2.1 应合理设置支撑体系

单榀门式刚架在刚架平面内刚度较大，能有效抵抗水平荷载，但是在刚架平面内刚度则较差，需通过设置支撑来保证纵向水平荷载的传递。支撑设置时需注意将屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨间，以构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又便于结构的施工和安装。在房屋的各温度区段内，均需设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。屋面横向水平支撑一般布置在温度区段端部第一开间，也可以布置在第二开间，但此时需在第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置刚性系杆。屋面横向水平支撑的竖腹杆需按刚性压杆设计，才能组成几何不变体系。屋面横向水平支撑的节点应与抗风柱布置相协调，将节点布置在抗风柱处，以直接传递抗风柱柱顶反力，避免刚架斜梁受扭。在刚架转折处，如边柱柱顶、屋脊处、多跨房屋中间柱柱顶等位置，需沿房屋纵向全长设置刚性系杆，既可承受和传递纵向水平荷载，还能在安装过程中增加刚架的侧向刚度，保证结构安全。支撑的常见布置见图2。

图2 支撑布置

2.2 柱脚抗剪键的设置

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第7.2.20条规定，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的剪力，此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。不管是铰接柱脚还是刚接柱脚，柱底均有剪力。轻型门式刚架结构自重较轻，荷载较小，底板和基础间能产生的摩擦力有限，因此，应复核柱脚底部的水平剪力是

否可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受。剪力较大时，应设置柱脚抗剪键，否则剪力实际上将由锚栓承受，不符合规范的规定。

2.3 注意风吸力的影响

轻型门式刚架结构由于采用了轻型屋面材料，自重较轻，当屋面坡度在一定范围时，风荷载的作用方向会向上，即为风吸力。在普通钢结构中，风吸力会抵消部分重力荷载，起有利作用，因而不考虑。但对于轻型门式刚架结构来说，风吸力的大小可能超过屋面结构自重，叠加后产生向上作用的荷载，使结构构件中产生反向内力，如不考虑风吸力，可能导致结构不安全。

2.4 不得随意改变结构材料和体系

部分设计人员在设计门式刚架结构时，根据业主要求或其他考虑，将刚架柱改为钢筋混凝土柱，刚架斜梁仍为钢梁，仍按照门式刚架结构体系进行设计，这样做可能会产生工程事故。因为门式刚架结构中刚架斜梁与刚架柱必须做成刚接，而钢结构斜梁与钢筋混凝土柱较难实现刚接，做出来更接近与排架结构，与刚架结构是完全不同的两种结构体系，这样设计出来的结构可能会严重不安全。

2.5 合理选择柱脚构造

门式刚架结构柱脚分为刚接柱脚和铰接柱脚两种，一般情况下应优先选择铰接柱脚。同时刚架柱采用楔形截面，可以有效降低结构用钢量，也可以减小基础设计难度，降低造价。但在设置了桥式吊车或有较大水平荷载作用时，则应采用刚接柱脚和等截面柱，可以提高结构的抗侧移刚度。

3 结束语

近年来，门式刚架结构在我国得到了飞速发展，给钢结构注入了新的活力。对广大从事轻型门式刚架结构设计的技术人员来说，除了要掌握专业知识外，还必须深入理解轻型门式刚架结构的特点，弄清其与普通钢结构的不同，理解和正确运用设计规范，设计出安全适用、经济合理的结构。

[1] 刘声扬，王汝恒. 钢结构——原理与设计[M].2版. 武汉：武汉理工大学出版社，2010

[2] 黄呈伟. 钢结构设计[M]. 北京：科学出版社，2005

[3] 戴国欣. 钢结构[M].4版. 武汉：武汉理工大学出版社，2012

[4] CECS 102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)[S]

[5] 侯伟. 门式刚架设计与施工中应注意的问题[J]. 山西建筑，2013，39(3)

[6] 王跃磊. 谈门式刚架轻钢结构设计中的若干问题[J]. 山西建筑，2014，40(2)

[7] 陈绍蕃. 轻型门式刚架梁柱连接如何设计成刚性节点[J]. 钢结构，2012,27(4)

[8] 林杨. 浅谈轻型门式刚架结构设计[J]. 江西建材，2013，(4)