轻型门式刚架结构设计

沈 玉 光

(中国轻工业武汉设计工程有限责任公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

单层门式刚架结构是指以轻型焊接H型钢(等截面或变截面)、热轧H型钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢(槽钢、卷边槽形、Z形等)做檩条、墙梁；以压型金属板(压型钢板、压型铝板)做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。门式刚架结构具有质量轻、工业化程度高，施工周期短、综合经济效益高、柱网布置比较灵活等优点，较多被采用[1]。

1 本工程的设计条件

1.1 建筑条件

本工程结构形式为轻型门式刚架结构，建筑面积3 321.02 m2，建筑高度11.400 m(女儿墙顶部至室外地面高度)，轻钢屋面排水坡度为5%，墙体1.000 m以下为煤矸石多孔砖，以上为100 mm厚玻璃棉夹心组合式彩板墙体,燃烧性能A级，屋面采用双层玻璃棉夹心组合压型钢板。在④轴～⑦轴之间有5 t的桁车。

1.2 设计参数及荷载

本工程位于湖北省鄂州市，主体结构设计使用年限为50年；结构的安全等级为二级；建筑抗震设防类别：丙类；设防烈度 6度；基本地震加速度0.05g；设计地震分组第Ⅰ组；场地土类别：Ⅲ类。基本风压:0.35(×1.1) kN/m2；地面粗糙度类别：B类；基本雪压：0.6 kN/m2(按100年重现期)。屋面板、檩条的施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)不得超过1.0 kN。屋面恒荷载0.3 kN/m2，屋面活荷载计算钢梁取0.3 kN/m2，计算檩条时取0.5 kN/m2。

2 结构体系布置

根据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范规定，门刚纵向伸缩缝间距为300 m[2]。支撑设置：端部支撑宜在温度区段端部第一或者第二开间设置柱间竖向支撑，同时在对应的位置设置屋面水平支撑。柱间支撑应设置在侧墙柱列。当有吊车时，每个吊车跨两侧柱列均应设置吊车柱间支撑。柱间支撑间距取30 m～45 m。当房屋宽度大于60 m时内柱列宜适当设置支撑。有不小于5 t的吊车房屋柱间支撑宜采用角钢。本工程在温度区段端部第一跨布置屋面水平支撑和柱间竖向支撑，支撑间距为39.100 m。在屋脊处及边柱柱列顶部布置刚性系杆。

柱脚节点设计:有吊车的内柱列柱脚做刚接柱脚，顶部与梁刚接。外柱列做铰接柱脚，顶部与梁刚接。

表1 构件明细表

3 PKPM-STS系列二维模块建模计算

建模过程中几个容易出错参数的选取。

根据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范7.1.6条及条文说明规定，实腹式刚架斜梁的平面外计算长度应取侧向支撑点间的距离，且不小于2倍的隅撑间距。本工程计算长度取最不利情况为屋面系杆间距8 m。

屋面采用双板加棉，恒荷载取0.3 kN/m2，活荷载取0.5 kN/m2，雪荷载取0.6 kN/m2(按100年重现期)。荷载组合时屋面活荷载与雪荷载不同时考虑。根据《门规》[2]和《荷规》[3]，雪荷载应考虑不均匀分布，有女儿墙的还应考虑积雪效应系数。本工程积雪效应系数Urm[3]=1.5h/s0=1.5×2.4/0.6=6>2，取2，有女儿墙的积雪范围a=2h=4.8 m。在PKPM中输入5组互斥荷载，分别为活荷载，雪荷载均匀分布，不均匀分布1，不均匀分布2和考虑积雪效应分布。第五种互斥荷载为考虑有女儿墙的积雪效应，取值为雪荷载均匀分布和分别距离两边柱4.8 m范围内的1倍的雪荷载的叠加。

约束布置：中榀，边柱底部铰接，顶部刚接，两个中柱两端均刚接。山墙榀，抗风柱底部刚接，顶部铰接，其他柱端部连接形式同中榀。

4 计算结果分析

4.1 主钢架分别选用Q235B钢材和Q345B钢材计算结果对比分析

主刚架经PKPM试算调整后最终计算结果如下：

中榀主钢架计算结果：

根据图4和图5可知，钢柱和钢梁的强度、平面内和平面外应力比均不超过0.95，多数构件的应力比在0.8～0.9之间。计算时使各个构件应力比比较均匀且在0.8～0.9之间，用材会比较经济合理。

由PKPM计算可知，中榀主刚架采用Q235B和Q345B钢材，质量分别为8.736 t和9.659 t。二者相差约1 t钢材，而两种钢材价格相差无几，所以采用Q345B钢材比较经济。本工程采用Q345B钢材。

边榀山墙处主钢架计算结果：

边榀山墙处主钢架，PKPM建模中，抗风柱设置为仅承担水平风荷载，不承担竖向荷载。根据图6，图7可知，大多数构件应力比在0.6～0.9之间。

由PKPM计算可知，边榀山墙处主刚架采用Q235B和Q345B钢材，质量分别为12.674 t和13.043 t。二者相差约0.4 t钢材，而两种钢材价格相差无几，所以采用Q345B钢材比较经济。本工程采用Q345B钢材。

为兼顾安全富裕度和用材经济，根据工程经验，门式刚架钢构件应力比控制不应超过0.9，允许极少数构件的应力比在0.9～0.95之间。所有构件应力比应不超过0.95。

4.2 檩条及墙梁设计分析

本工程采用STS工具箱进行檩条计算，屋面檩条选用斜卷边Z型檩条。当屋面檩条采用简支檩条时，端跨和中跨檩条分别为XZ250×75×20×2.5，XZ250×75×20×2.2；当屋面檩条采用连续檩条时，端跨和中跨檩条分别为XZ220×75×20×2.5，XZ220×75×20×2.2。通过对比发现此等规模的房屋采用连续檩条比简支檩条能降低一个规格，节省钢材。所以本工程屋面檩条采用连续檩条，檩条的搭接长度不宜小于10%檩条跨度，对于边跨搭接长度不宜小于15%檩条跨度。本工程墙梁选用C型简支墙梁，在门窗洞口处的墙梁及门窗柱采用口对口双拼C型墙梁。

5 结语

本文以实际工程为例，详细阐述了门式刚架轻型房屋结构设计的一般过程，通过门式刚架结构设计得出以下几点结论。

1)门式刚架轻型房屋属于对雪荷载敏感的结构，设计时基本雪压应取100年重现期的雪压。对于有女儿墙的门式刚架，应考虑积雪效应系数，屋面雪荷载应取4种工况，全跨积雪的均匀分布、不均匀分布、半跨积雪的均匀分布和积雪效应分布。

2)门式刚架柱脚宜按铰接柱脚设计，当用于工业厂房且有5 t以上的桥式吊车时，可将柱脚设计成刚接。

3)当屋面跨度较大时，采用实腹式变截面梁比较经济，单跨内屋面变截面梁变截面的分段长度比例宜为1∶2∶1。钢柱顶部与钢梁刚接，弯矩图反弯点的位置大约在梁1/4和3/4长度处。

4)门式钢架结构，在满足柱顶位移和钢梁变形的规范要求下，根据规范要求和工程经验，通过控制应力比来确定钢构件截面尺寸，宜使尽量多的钢柱和钢梁的应力比控制在0.8～0.9之间，允许极个别钢梁应力比超0.9，禁止任何构件应力比超过0.95。这样能在保证结构安全的前提下，做到用材经济。

5)Q235B和Q345B钢材的价格相差不大，跨度大的门刚结构主刚架采用Q345B钢能够比较节省钢材。屋面檩条采用Q345B材质连续檩条比较经济合理。