门式刚架轻型房屋钢结构厂房的设计思路研究

文/姜珊 天津渤海化工集团规划设计院 天津市 300450

门式刚架轻型房屋钢结构厂房的设计思路研究

文/姜珊 天津渤海化工集团规划设计院 天津市 300450

门式刚架轻型钢结构在建筑行业的广泛应用主要是因为其有造价低廉、自身重量较轻、传力路径明确、加工简便以及施工周期相对较短的优点。本文在分析刚架特点以及其结构形式的基础之上，重点对其载荷、内力计算以及几何参数优化做重点的探讨。

门式刚架；轻型钢结构；设计；优化

一、刚架特点

目前，应用在厂房中的门式刚架主要有多跨刚架和单跨刚架两种结构。当前，在实际建筑应用较多的就是多跨刚架结构，但是在选择刚架结构时还需要结合实际的建筑结构情况进行选择。举例来说，如果是要求比较单一的工艺则可以直接选择单跨刚架结构，而如果要求相对复杂的工艺，可以选择多跨刚架结构。钢结构厂房高度的确定要依据实际的工艺要求，尤其是要充分考虑到建筑物的采光通风以及天车轨顶的高度等相关因素。同时在确定高度的时候不仅要符合工艺使用的要求，同时要以节约能源为原则不能盲目拔高。

坡屋顶的建设一般都会考虑到建筑物的采光通风以及排水情况。多跨刚架结构通常情况下为了防止因厂房跨度过大，一侧刚架柱需拔高而导致的资源浪费会考虑修建成双坡的屋面以及双向排水结构。门式刚架相比于其他钢结构的建筑来说有着十分优越的优势，首先，刚架拥有简单的构造，同时其材料使用较为单一，由此门式刚架的设计较为标准，加工制作相对简便，进而提高了厂房的生产效率。其次，门式刚架的防震性能优越。主要是由于门式刚架自身重量较轻，且属于柔性结构，因此，门式刚架可以有效的减轻地震所造成的破坏性，从这个角度来说，门式刚架应用于地震灾害频发的地区是十分必要的。最后，门式刚架还拥有良好的环保性。主要是因为生产门式刚架的钢材属于生态型的环保材料，其利用及回收都是相当便利的，可以实现材料的可持续发展。

虽然门式刚架拥有其他钢结构无法比拟的优势，但其也存在一些问题。第一，钢结构易受腐蚀。第二，防火性能较差，钢材在温度二百摄氏度的情况下，其力学性能并不会发生太大的变化，一旦温度上升到三百摄氏度以上，钢材的弹性模量以及强度会发生较大的变化，而当温度达到六百摄氏度以上的时候，钢材的力学性能会完全发生变化，其承载力及刚度会迅速下降到最低点。但是近几年来，我国已经研发了先进的防腐蚀、防火产品，可以有效的弥补钢材的劣势。因此，门式刚架在厂房中的应用趋势是必然的。

二、门式刚架结构形式

门式刚架简单来说就是一种连续式结构。以单跨式门式刚架作为研究对象，发现单跨门式刚架是一种异型的三跨连续梁结构，只是边跨梁发生了弯曲，其角度为九十度。同时单跨门式刚架的柱体与梁体通过刚接的方式实现了连接。如果单跨门式刚架作用于水平荷载情况下，会利用梁体以及基础对于柱体的作用力来降低柱体的弯矩，同样如果单跨门式刚架作用于垂直（竖向）载荷条件下，则是柱体对梁体的作用力降低梁体的弯矩。从这个角度来看，门式刚架结构的受力状况是比较科学合理的。

当前，在我国轻型门式刚架正广泛应用于厂房结构中。轻型门式刚架按照其结构功能划分可以分为两种，即围护结构与主体承重结构。围护结构由压型钢板和檩条构成并对墙面以及屋面进行围护。而主体承重结构主要包括门式刚架的柱体、梁体以及其支撑系统。主体承重结构承担了大部分的房屋载荷力，是房屋建筑的核心。门式刚架的梁柱通常情况下都是选用的变截面的实腹式截面。例如：焊接工字钢。而门式刚架的支撑系统主要包括屋面支撑系统以及柱间支撑系统。一般情况下，对于单跨门式刚架的梁柱节点可以采用刚接形式，但多跨门式刚架的梁柱节点应该采用刚接与铰接结合的方式。

三、设计及优化

1、荷载考虑

通常情况下，在考虑门式刚架轻型房屋的载荷时，都会涉及到三种载荷形式，即偶然载荷、可变载荷以及永久载荷。所谓偶然载荷指的是在使用期间载荷的出现是具有偶然性的，但如果出现了载荷，就代表着其载荷相对较大，但出现时间较短。地震载荷时最具有代表性的偶然载荷。而可变载荷就是指载荷会随着环境状况的变化及建筑物的使用状况而发生变化，风载荷、吊车载荷是最为常见的可变载荷。永久载荷则是指门式刚架轻型房屋结构的自身重量，其包括了支撑系统的重量、材料的重量、骨架结构的重量等。

在考虑门式刚架结构的载荷时应保证载荷的值能够全面深刻的反应门式刚架结构的载荷情况，且其取值是不能随意减少或者放大的，因为这样会严重影响门式刚架结构的计算结果。

2、支撑系统

构成轻型钢结构房屋支撑体系的主要有两部分，第一，例如墙梁、槺条这类可以防止薄壁构件失稳的体系。第二，例如柱间支撑以及屋面支撑之类可以支撑纵向抗侧刚度的体系。当前，这两种应用在轻型刚架结构房屋中的支撑体系可以将房屋平面支撑为一个整体空间，从而保障门式刚架轻型房屋钢结构的稳定程度以及强度符合国家标准，从而保障门式刚架轻型房屋钢结构可以正常使用。

布置门式刚架轻型房屋钢结构的柱间支撑。在对其进行布置的时候，要根据轻型房屋结构的功能要求、纵向的柱子之间的间距以及按照的具体条件为基础在进行布置。同时如果在布置柱间支撑时，没有吊车设置时，其间距最好设置为30到45米，如果有吊车设置，其柱间的支撑结构应该设置在温度区段的中部。但是需要注意的是，若温度区段相对较长，柱间支撑结构最佳设置位置是三分点部位，同时柱子与柱子之间的间距要小于60米。除此之外，要根据竖向的悬臂桁架设置并确定柱间的支撑内力，以保障柱间支撑的力度符合强度要求。

四、结语

当前，在工业建筑领域已经广泛应用了门式刚架轻型钢结构体系。即便如此，相关单位还应该重视对门式刚架轻型钢结构的设计及优化，以保障门式刚架的结构的稳定程度与安全程度符合国家标准。具体的设计要求为：设计、施工人员应结合门式刚架建造的具体环境及其弄能要求等，运用恰当的加固设计技术，保障门式刚架轻型结构的稳定性。

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