浅谈轻型门式刚架结构的设计及应用

杨剑凤

摘 要：近年来，钢结构在建筑中的应用范围日益广泛，主要原因在于钢结构的安全性、稳定性和经济性均十分突出。在钢结构建筑中，门式刚架轻钢结构十分普遍，该结构设计时的选材、檩条设计和整体变形等因素都直接影响到门式刚架轻型房屋结构使用的安全性和可靠性。因此文章结合实例，就轻型门式刚架结构的设计及应用进行简要探讨。

关键词：轻型门式刚架；设计；应用

1 前言

在传统的钢结构建筑类型中，门式刚架轻钢结构体系算是一类被采用十分广泛的体系。它主要使用等截面或者变截面的焊接H型钢当做其梁柱，同时把冷弯薄壁型钢当做檩条、墙梁和墙柱，使用彩钢板当做墙板和屋面板，并配备零件、门窗等形成的相对十分完备的建筑体系。门式刚架轻钢结构设计有效的实现了材料的合理分工使用，构件尺寸比较小而且抗震性能十分好，实际施工的方式相对简便，对以后检查维修带来便利。所以，要求一些从业员工在对这个结构体系进行设计的时候，要熟悉一些影响因素的影响程度，进一步快速提升轻钢结构设计的合理性。

2 轻型门式刚架结构的设计要点

2.1 荷载计算

现行荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。现行《钢结构设计规范》规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kNm2”。

2.2 檩条设计

轻型门式刚架结构一般采用型钢作为构件，类型多为Z、C型。使用型刚作为墙梁时要注意房屋实际受力情况做好钢材选择，Z型型钢比C型型钢更具有实用性，因此，大多使用Z型型钢作为刚架结构的主建材。首先，使用Z型型钢作为刚架结构时，应该做好截面压力测试，按照梁或者简支作为主要的计算方式；其次，轻型门式刚架结构中首选Z型截面，但是在特殊节点处应该采用C型截面，C型截面具有较好的受力能力，耐压性较强，而且采用螺栓构架时还具有非常便利的计算方式和方法；最后，檩条与墙梁的间距不得大于相应受压翼缘宽度的16（235/fy）0.5倍。间距选择时要特别注意力学测试，防止构造角度偏差，一般檩条与墙梁的间距的结构性角度最好保持为1.5m。此外，在进行檩条设计时要注意强度计算，檩条是轻型门式刚架机构的主要承重点，在建筑物中承重压力较大，因此在设计要考虑屈度因素，根据截面强度以及拉条和隅撑的设置，做好檩条设计。

2.3 支撑系统主要结构方案的选择

刚性系杆构件选用型钢和钢管，并与刚架通过螺栓铰接，其截面的大小一般按压杆稳定性要求或通过受力计算决定，其设置主要考虑刚架转角和屋脊联结处（其中屋脊处的刚性系杆可由用于此处屋脊构造需要的、刚度较大的双檩条及联结所代替）。另外，刚性系杆的间距主要取决于刚架构件的平面稳定性要求。第一，屋面支撑。屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

第二，柱间支撑。对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。

3 应用实例

以下以单层轻型门式刚架结构为例，就整个结构体系的布置、单个构件的设计要点、设计中应注意的一些问题做了系统阐述。

3.1 结构形式和结构布置

3.1.1 结构形式

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20～1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。

3.1.2 结构布置

（1）刚架的建筑尺寸和布置。门式刚架的跨度宜为9m～36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5m～9m。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。

（2）檩条和墙梁的布置。檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。

（3）支撑和刚性系杆的布置。①在每個温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。②在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。③端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30m～45m，有吊车时不宜大于60m。④当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。⑤当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。⑥在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。⑦由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。⑧刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。⑨当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。

3.2 刚架内力和侧移计算

（1）内力计算。对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。

（2）侧移计算。变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

综上所述，伴随着我国各行各业的快速发展，轻型门式刚架结构得到越来越广泛的应用。相比较于钢筋混凝土材料，轻钢门式刚架结构优势突出。在实际应用该结构时，需要严格遵循规范标准，科学规划设计，确保建筑结构的安全性和稳定性。

参考文献：

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[2] 张扬.轻型门式刚架钢结构厂房分析及轻量化设计探讨[J].住宅与房地产，2017（17）.

[3] 陈磊.复杂钢构厂房结构设计探讨[J].门窗，2017（1）.