门式钢架结构设计探析

摘 要：本文从门式钢架结构设计入手，对横梁、柱平面外计算长度取值、节点设计要素以及屋面檩条连接布置设计等方面的内容进行阐述，同时总结了门式钢架结构设计中应注意的事项，希望以供借鉴。

关键词：门式钢架，结构设计，节点，长细比

门式钢架运用在单层工业与民用房屋钢结构中被广泛应用。门式钢架结构形式多样，是梁、柱单元构件的组合体。根据实际需要，其形式可设计为单跨单坡、单跨双坡、多跨单坡、多跨多坡等。在门式钢架结构设计中，首先确定结构形式、在满足建筑尺寸的同时进行结构平面布置，其次要进行内力和侧移计算、确定构件截面尺寸，最后还需进行节点设计。下面从钢架计算长度确定、节点设计、屋面檩条设计三方面做一探析。

一、门式钢结构的特点及应用

门式钢结构的主要特点有产品新颖、时代感强、规模大、标准化程度高，工期短是其突出的特点之一，体现在5000平方米到10000平方米的房屋从签订合同到建成一般只需要3个月左右时间，结构新颖体现在一些家居装饰如吊顶等的装修造价可以减少，此外可以扩大空间，满足大跨度的要求重量轻是门式钢结构的又一显著特点，表现在可降低地基的基础造价，减少地震作用对房屋的影响。造价合理，综合经济效益好，拆迁容易。环保优势，在任何气候下都能做到全年旌工，对于周围的环境污染也较小，不仅具有良好的性价比还有着框架结构无法比拟的优越性。环境适应条件好，对海拔气候条件的要求不高。

门式钢结构的主要应用：门式钢架结构重量轻、跨度大、易于组合，是建成单层工业厂房的优选结构形式。门式钢架结构外形美、内存大、施工周期短的特点可广泛应用于单层仓储建筑。门式钢架结构跨度大，视野开阔可用于超市，农贸市场等商业建筑。门式钢架结构外形美的特点应用于文娱设施体育馆的也较多。随着经济的发展，旧建筑的翻修与加层业务将不断增加，在原有建筑物上加层也离不开门式钢架结构。

二、钢架计算长度

钢架由横梁、柱单元构件组成，横梁、柱的计算长度分为平面内计算长度和平面外计算长度。钢结构杆件截面形心有两个轴，即x轴，y轴，绕这两个轴就有两个回转半径。在主平面（强轴，通常为x轴）方向的叫平面内，另一个方向（弱轴，通常为y轴）就叫平面外。柱平面内计算长度按门钢规范侧移刚度方法确定。由于横梁没有平面内稳定之说，横梁的平面内计算长度一般情况下也就无意义，一般取横梁的跨度为其平面内计算长度。横梁、柱平面外计算长度情况不同、取值不同。

（一）横梁的平面外计算长度Ly，分上翼缘和下翼缘两种情况。

1.上翼缘计算长度Ly，两种取法，分述如下：

取上翼缘横向支撑间距：通常取檩条间距倍数，例如檩条间距1.4m，支撑间距可取其倍数2.8m，4.2m，5.6m。梁的平面外稳定取决于梁的整体稳定系数，横梁整体稳定系数Φb与λy（λy为梁在侧向支承点间对截面轴y—y的长细比）大小有关。因此支撑的间距直接影响横梁截面及横梁整体稳定性。

取Ly=3m。

很多轻型门式钢架结构取两个檩条间距，当檩条间距为1.5m时，两个间距就是3m。如果以上两个檩距，三根檩条，均不在横向支撑节点时，所有檩条均随梁的上翼缘侧弯，不能起到支撑稳定作用，只有位于支撑节点处的檩条才能起到侧向支撑作用。依据实际工程经验，取Ly=3m，能设计合理的横梁截面。

2.下翼缘计算长度Ly，两种取法，分述如下：

设置隅撑。

隅撑通过檩条连接与有弹性侧移的下翼缘，可以作为下翼缘受压时的侧向支点。通常取与上翼缘横向支撑节点处檩条相连的隅撑间距，即横向支撑的间距。

不设置隅撑，取Ly=0.4L。

取Ly=0.4L的前提与弯矩图有关。正常情况下，梁端为负弯矩，跨中为正弯矩，考虑柱面风荷载使梁反弯点内移，偏安全取值Ly=0.4L。

（二）柱的平面外计算长度Ly，分有桥式吊车和无桥式吊车两种情况。

1.有桥式吊车。

上柱：取上柱支撑与柱连接点的距离，即上柱长度。

下柱：取下柱支撑与柱连接点的距离，即下柱长度。

2.無桥式吊车。

取柱支撑与柱连接点的距离，即全柱长度。

取Ly=3m，与梁相同。取Ly=3m，可设计出合理截面，但设计时必须保证墙板要有足够刚度及墙板与墙梁有可靠连接。

三、节点设计

钢架节点设计包括：横梁与柱的连接、横梁连接、梁柱节点域、钢架柱脚等。

横梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板平放、端板斜放三种形式，在工程实践中，端板竖放较为常用。横梁与柱的连接，采用高强度螺栓，可采用承压型或摩擦型连接。当端板只受轴向力和弯矩，或剪力小于其实际抗滑移承载力时，要采用高强度承压型螺栓连接。吊车梁与制动梁的连接采用高强度摩擦型螺栓连接。在门式钢架中，受压翼缘的螺栓不能少于两排，当受拉翼缘两侧各设一排螺栓不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓。

钢架柱脚有铰接和刚接两种形式，当用于工业厂房且5t以上桥式吊车时，将柱脚设计为刚接，其余可设计为铰接。柱脚锚栓不能用以承受柱脚底部的水平力，该水平力由底板与混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键来承受。由于底板与混凝土之间的摩擦力难以度量，设计时一般设置抗剪键。当埋置深度受到限制时，锚栓必须牢固的固定在锚板上，为安全起见，工程实践中通常将钢柱直接插入混凝土内用二次浇灌的形式固定柱脚。这种柱脚施工简单，节约成本，是目前常用的一种形式。

四、屋面檩条连接布置及设计要点

檩条形式有实腹式、空腹式、格构式三种，跨度大于9m时宜采用格构式。檩条一般设计为单跨简支构件，实腹式檩条也可设计为连续构件。当檩条跨度大于4m时，在跨中位置设置拉条或撑杆，当跨度大于6m时，在跨度三分点处各设一道拉条或撑杆。

檩条属压弯构件，设计檩条时要进行内力分析、强度、稳定性及刚度计算。当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩条的稳定性，仅计算强度，当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，要进行稳定性的计算。

五、结语

综上所述，在设计门式钢架结构时，结构布置至关重要。只有合理的结构布置，才能合理的确定构件计算参数，优化结构截面，从源头上节约建设成本。

参考文献

[1] 钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

作者简介：康蓉，南京升远冶金工程技术有限公司。