门式刚架轻型钢结构房屋合理设计的探讨

芦珍明

(山西安煤矿业设计工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

门式刚架轻型房屋是采用变截面或等截面实腹刚架为承重结构，采用轻型钢屋面和轻型外墙为围护结构的单层钢结构房屋(见图1)。具有重量轻、受力简单、传力路径明确，便于工厂化加工，施工周期短等优点，广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。

现就门式刚架轻型房屋设计的合理性进行简要探讨。

1 材质的选用

1)门式刚架轻型房屋钢结构一般采用碳素结构钢和低合金高强度结构钢。对以强度控制为主的受力构件，可采用低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢分为A，B，C，D，E五个质量等级，由A到D其质量由低到高。而门式刚架所用的钢材板件大多为板件较薄，所以构件稳定性和变形常起控制作用，应选择碳素结构钢较为合理。碳素结构钢分为A，B，C，D四个质量等级。但随含碳量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高，其塑性、冷弯性能和冲击韧性均降低，焊接性能也变差。所以在选取钢材牌号和材性时，要结合构件的重要性、荷载特征、应力状态、连接方法及工作环境等因素综合考虑，在保证承重结构承载能力的同时，还要注意含碳量及硫、磷的含量，防止构件发生脆性破坏。

2)主刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B或Q345A及以上等级的钢材，非焊接和墙梁等构件可采用Q235A级钢材。

2 结构方案的布置

2.1 刚架方向的确定

刚架方向的布置应遵循长度大于宽度的原则。面积较大的厂房还应考虑温度区段的控制。纵向温度区段不宜大于300 m，横向温度区段不宜大于150 m。布置刚架时，纵横向尺寸不宜超过以上限制，当超过以上值时，可设缝断开或采取释放温度应力的措施，否则应考虑温度效应的影响。

2.2 跨度的确定

门式刚架可设单跨或多跨布置，厂房跨度太大或者太小都不经济，其跨度宜为12 m～48 m。单跨刚架使用于横向空间不大的建筑，多跨刚架对房屋的宽度尺寸没有限制。但当宽度超过150 m时，应设缝断开。多跨刚架由于使用连续刚架，因此较为经济，但多跨刚架对地基的不均匀沉降较敏感，在沉降较大的软土地基时，应详细考察基础的沉降情况，慎重使用。

2.3 柱距的选取

在布置刚架的柱距时，尽量采用等间距布置。刚架柱距宜为6 m，7.5 m，9 m。竖向荷载是影响柱距的主要因素，如屋面荷载、吊顶荷载、吊车荷载等。当荷载较大时选小柱距，荷载较小时选大柱距。如有需要采用不等间距时，应尽量将端跨布置的比中间跨小。因为端跨的风荷载比中间跨大。另外在选用连续檩条时，端跨的挠度及跨中弯矩均大于中间跨，所以较小的端跨也能使屋面檩条和墙面檩条的截面减小。

3 刚架截面的选取

1)根据跨度、高度和荷载的不同，门式刚架梁、柱可采用变截面或等截面的轧制H形截面或实腹焊接工字形截面。当有桥式吊车时，柱宜采用等截面柱。如想更经济，可以将牛腿以下直接承受吊车荷载的部分用大截面，牛腿以上连接屋面的部分用小截面。

2)如从节约和刚架受力弯矩图的角度考虑，应充分利用截面特性，尽量使截面随弯矩图和剪力图的变化而调整，采用楔形变截面更合理。

4 支撑的布置

4.1 屋面横向水平支撑及柱间支撑

1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应设置独立的支撑系统，使其能够独立抵抗水平力。设置柱间支撑的开间应同时设置屋面横向水平支撑，以构成几何不变体系。端部的支撑宜设置在端部第一或第二开间，如端部支撑设在第二开间时，应在第一开间抗风柱顶部对应的位置设刚性系杆。

2)柱间支撑应设置在侧墙，当房屋宽度大于60 m时，在内柱列宜设置柱间支撑。当无吊车时，柱间支撑间距宜取30 m～45 m，端部柱间支撑宜设置在房屋端部第一或第二开间。当有吊车时，每个吊车跨两侧柱列均应设置柱间支撑。

3)当房屋高度大于柱间距2倍或9 m时，柱间支撑宜分两层设置。有高低跨时，需要在高低宽处分层设置。有吊车时需要在吊车梁处分层设置，端部只能设置上柱支撑不能设置下部支撑(见图2)，否则由于温度变形会使厂房纵向变形无法释放，吊车梁变形过大，造成卡轨。吊车梁下部支撑应选用型钢交叉支撑设置，宜在温度区段中部，当较长时，宜设置在三分点，且不应大于50 m。上、下层柱间支撑间的系杆必须设置，且应按刚性系杆考虑。支撑的上端与水平压杆及刚架柱中心必须汇交于一点，避免形成偏心受力。

图2 设吊车的柱间支撑布置图

4)在同一建筑中，最好采用同类型的柱间支撑，如因使用功能要求(柱见支撑部位有门、窗以及设备时)，可采用刚架支撑或桁架支撑来代替。

4.2 屋面纵向水平支撑

轻型门式刚架沿宽度方向的横向稳定性，是通过刚架自身刚度来抵抗所承受的横向风荷载、横向地震作用以及横向吊车刹车力。而在长度方向的纵向刚度较弱，如有带驾驶室且吊车梁吨位大于15 t等情况，需要沿着门刚纵向设置纵向水平支撑来抵抗纵向风荷载、纵向地震作用以及纵向刹车力，从而保证厂房的纵向稳定性。

5 刚架的抗震设计

1)单层门式刚架轻型房屋荷载较小，即等效质量小，所以在抗震设防烈度为7度(0.10g)及以下地区地震作用下，能满足风荷载验算的都能满足地震作用的验算。但是在7度(0.15g)及以上的高烈度地区的地震作用会比较大，在风荷载小的地方，虽然满足风荷载验算，但不一定能满足地震作用的验算。因此，在7度(0.15g)及以上的地区时，纵、横向刚架均需进行抗震验算。

2)对质量与刚度分布明显不对称的结构，可将平面不规则的厂房通过设缝划分成若干个规则的部分，这样每个部分就不用按计入扭转影响的双向地震作用考虑了，可以只考虑单向地震作用。

6 刚架计算需控制的主要参数

刚架梁、柱均为压弯构件，压弯构件截面承载力验算包括强度验算和平面内稳定、平面外稳定、局部稳定验算。

6.1 强度

在荷载和相关参数正确选取时，刚架构件的应力比可以为0.99。如果抗弯强度不满足，可以通过加大腹板截面高度来调整;如果是抗剪强度不满足，可以通过增加腹板厚度来调整。

6.2 平面内稳定

平面内稳定主要由梁高控制，增加梁高或增大翼缘厚度可以有效地增加平面内惯性矩，从而提高构件的平面内稳定性。

6.3 平面外稳定

平面外稳定主要由构件长细比控制，又分为受压构件和受拉构件的长细比。长细比=平面外计算长度/截面的回转半径，可见减小平面外计算长度和增加截面的回转半径均可减小构件长细比。平面外计算长度为侧向支撑点间的距离，在设计中可通过设置隅撑减小侧向支撑点间的距离，满足长细比的要求。

6.4 局部稳定

由板件的宽厚比或高厚比控制。当构件承受集中荷载或局部承载时，应在相应部位设置合理的加劲肋，由加劲肋保证构件的局部稳定性。

6.5 刚架柱顶位移

刚架的柱顶位移应满足相应的荷载所对应的柱顶位移限制，如不满足应增大结构的侧向刚度来调整。

6.6 刚架梁的挠度

刚架梁的竖向挠度的控制应采用恒载和活载共同作用下，挠度不应太大，尤其是带吊车的厂房，挠度值要求更严，为L/400，否则会影响使用功能。如果挠度不满足可以通过增加刚架梁的高度来调整。

6.7 屋面坡度改变值

屋面坡度改变限值为坡度设计值的1/3，控制屋面坡度改变值是为了使屋面板的变形小，防止屋面漏水，影响使用寿命。

7 构件的防护设计

1)钢结构最大的缺点是易锈蚀，耐火性差。锈蚀是不可避免的，但是可以通过采取措施控制。钢材的传热系数大，强度随温度升高而迅速降低，发生火灾的钢结构在高温作用下，如无防火设施，耐火时间仅15 min～20 min，会很快失效倒塌。所以钢结构的防护是钢结构设计的重要环节。

2)首先对钢构件应进行除锈，并涂防火底漆，注意防火涂料应与底漆相容，能良好的结合。钢结构的防火可以采用防火涂料，对于直接承受震动作用的钢结构构件，应采用防火厚型涂料。

综上所述，在门式刚架轻型房屋设计中，首先根据荷载特征，使用环境等选用适宜的材质，确定合理的结构布置方案，选取合适的截面进行刚架受力分析，控制好相关的设计参数，设置合理的支撑系统并采取防锈和耐火措施，确保设计出结构安全可靠、经济合理、美观适用的门式刚架。