谈轻型门式刚架结构

邱 鑫

(山西路晟交通建筑设计有限公司，山西 太原 030000)



谈轻型门式刚架结构

邱 鑫

(山西路晟交通建筑设计有限公司，山西 太原 030000)

基于轻型门式刚架结构的组成与特点，分析了该结构的应用范围，并阐述了轻型门式刚架结构选型、平面布置及支撑系统设计的原则，使轻型门式刚架结构的设计满足相关规范要求。

轻型门式刚架，结构形式，平面布置，支撑系统，框架结构

1 概述

1.1 组成

以轻型焊接H型钢或热轧型钢或冷弯薄壁型钢构成的刚架为主要承重骨架，以薄壁型钢为檩条，以压型金属板为屋面墙面，在外侧设置保温隔热材料的轻型房屋称之为轻型门式刚架。其中，梁柱大都采用焊接H型钢，梁柱节点安装跨度不同，采用不同的连接形式，对于单跨结构采用刚性连接，对于多跨采用刚铰并用的原则。钢柱和基础可以采用刚接，也可采用铰接。建筑围护采用含玻璃棉的压型钢板，它具备自重小和保温隔热的优点，所以屋面和墙面都是采用复合结构板，而主要受力构件(梁、柱)均为型钢。

1.2 特点

1)区别于传统框架结构的砌体填充墙体，轻型门式刚架的围护结构大多采用压型钢板和玻璃棉组合的材料，这种材料可以应用在墙体，也可应用在屋顶，由于材料的自身容重小，导致组合产品的整体质量轻，所以对于轻型门式刚架的承重结构也是非常有利的。由于轻型门式刚架应用多年，经过市场验证，单层轻型门式刚架每平方米用钢量约20 kg，在条件相同的条件下，自身重量仅仅为传统钢筋混凝土结构的1/25。由于自身重量轻，相关联的地基处理和基础设计费用也能降低很多。对于上部结构，在相同地震烈度作用下，轻型门式刚架地震反应小，但是由于质量轻，风荷载对轻型门式刚架的受力影响较大，所以在做设计时，风荷载是轻型门式刚架的控制荷载。

2)轻型门式刚架的主要受力构件均为钢结构工厂现场制作，质量易于保证，运输到施工工地后，只需进行吊装焊接，施工工序简单，工期短，操作平台小，相应的现场施工人员少。但由于钢结构现场连接常采用焊接和螺栓连接，故对工人施工技术要求高，对施工工艺尤其是焊接工艺要求高。

3)由于钢材的价格高于钢筋混凝土成本，但由于设计施工周期短，构件生产加工自动化程度高，建筑材料种类少，且便于运输，故轻型门式刚架总体投资费用相比混凝土结构略低，周期短也会使资金周转快，投资效益高。

4)普通框架结构受材料因素的制约，往往柱距控制在9 m以内，超大跨结构很难实现，而轻型门式刚架由于自重轻，且钢材的延性弹性较高，故柱网布置基本不受限制，柱距大小主要根据使用要求确定。

5)檩条、墙梁和隅撑的设置使轻型门式刚架的整体稳定性大大增加，还能减少屋盖的支撑数量。对于轻型门式刚架的梁柱为了节省材料，可采用变截面构件，同时由于变截面门式刚架达到极限时，可能会在多个截面处形成塑性铰，因此塑性设计不再适用。一些组成构件由于很薄，在制作、运输、施工中的难度也会增大，在轻型门式刚架中，焊接板最小厚度仅仅为3.0 mm，冷弯薄壁型钢最小厚度为1.5 mm，压型钢板的最小厚度为0.4 mm，因此在构件施工焊接时，如果外力过大，会造成构件的局部变形，同样锈蚀问题也是相当严重的。所以在运输施工中要采取必要的保护构件措施，防止构件因非工程原因而失去结构效果。

1.3 应用

轻型门式刚架结构在我国开展较晚，随着改革开放和炼钢技术的大提升才有的发展，主要用于大跨度的厂房、建材仓库、物流仓库、大型超市、小型体育馆等结构，还有一些房屋加层和简易互动用房。相应的大型钢结构公司也蓬勃发展。

2 设计应用

2.1 结构形式

轻型门式刚架常常被称为山形门式刚架，是按照其样式形象命名的。结构设计时按照跨度区分为单跨、双跨和多跨结构；按照屋面坡脊数分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。对于多跨轻型门式刚架，在相同跨度情况下，多脊多坡和单脊双坡总耗钢量基本相同，但在考虑雨水排水问题时，常采用单脊双坡，而多脊多坡容易产生漏水和堆雪情况，增加屋面板重量，出现安全隐患，所以在实际设计中尽量避免多脊多坡形式。对于无桥式吊车厂房，当风荷载因素影响不大时，常常使用单脊双坡轻型门式刚架，这种情况的中柱可采用上下两端铰接的摇摆柱，与之相连的梁也构造简单，而且制作安装都省事，这些柱不参与结构抵抗受力，截面选择也更加容易。反之，若厂房设有桥式吊车时，中柱需要和基础与梁刚接，以增加轻型门式刚架的侧向刚度。所以说轻型门式刚架采用边柱和梁的组合形式，可以承担全部的抗侧力体系，边柱的高度降低也可以使钢材发挥最好的效果。

对于轻型门式刚架，柱一般采用等截面构件，柱脚一般按照铰接支撑设计，对于有吊车的则采用刚接。轻钢屋面坡度一般取1/20～1/8，雨水较多的地区坡度选取越大，越利于排水和防止钢板锈蚀。对于主要梁柱构件，一般情况柱为单独单元构件，需采用焊接连接本身；梁属于多单元构件，可通过设置端板采用螺栓进行单元间的连接。对于起重吊车的吨数，也要按照相应的级数来确定吊车梁和柱的截面尺寸。

2.2 平面布置

1)刚架尺寸的选取。轻型门式刚架的跨度一般就是横向钢柱的距离，一般为10 m～40 m，常规按3 m的模数，对于特殊情况也可不按这个要求。为了外围护结构的美观实用，边柱应保证外侧对齐。钢柱计算高度按地坪至斜梁与柱交点为准，高度不宜大于9 m，不宜低于4 m。轻型门式刚架的间距一般取6 m，7.5 m或9 m，也可根据荷载条件及使用要求进行改变，尽量避免大小跨和突变跨。屋面挑檐长度取1 m左右，不宜大于1.2 m，坡度与屋脊斜梁相同。对于围护结构，由于自重轻且截面薄，所以受温度应力影响较小，所以温度分区段长度可按照纵向不大于300 m，横向不大于150 m的要求设置。对于厂房纵向尺寸过于长或者出现特殊情况需要设置伸缩缝时，可采用双柱设缝或在搭接檩条的螺栓孔采用长圆孔的方式，并且在屋面板构造上允许伸缩。

2)墙梁、檩条的设置。檩条应等距设置，在屋脊处应沿脊两侧各设置一道，天沟处设置一道，以保证屋面板尺寸不宜过大和便于固定的要求。檩条间距常按照天窗位置、通风口位置、采光带位置等因素确定。侧墙墙梁应考虑门窗、挑檐、雨篷的要求进行选取。对于压型钢板围护时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距应按计算确定。

3)支撑系统。每个温度区段应设置独立的支撑体系；支撑设置在柱间和屋盖间，使支撑形成几何不变体系；端部支撑一般设置在第一开间或第二开间，支撑间距不宜大于45 m，有吊车时不宜大于60 m，如果支撑设置在第二开间，第一开间应设置刚性系杆；对于轻型门式刚架转折处应设置全长刚性系杆，刚性系杆可由檩条承担作用。支撑虽然不是主要承重构件，但对于轻型门式刚架结构是不可或缺的。

3 结语

轻型门式刚架结构体系是当地大跨度钢结构应用比较广泛的结构形式，基本原理和适用条件基本都有相应的规定，只是在具体工程设计时，很多细节需要注意，尤其是支撑和风荷载的考虑。

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] 陈绍蕃.钢结构(下册)房屋建筑钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

Discussion on light weight steel portal frame structure

Qiu Xin

(Shanxi Lusheng Traffic Building Design Co., Ltd, Taiyuan 030000, China)

Based on the composition and features of light weight steel portal frame structure, the paper analyzes its application scope, describes light weight steel portal frame structure shape, plane layout and bearing system design principles, so as to make light weight steel portal frame structure design meet demands.

light weight steel portal frame, structural form, plane layout, bearing system, frame structure

1009-6825(2016)34-0053-02

2016-09-25

邱 鑫(1981- )，男，助理工程师

TU328

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