关于单层门式刚架结构的设计优化的思考

张 锐

（中国轻工业成都设计工程有限公司，四川成都，610015）

随着我国经济建设的快速发展，工业厂房设计中越来越多地采用单层门式刚架结构，单层门式刚架结构具有机械化程度高、结构强度高、满足厂房建设实际需求等特点，因而得到了较为广泛的推广以及应用。本文结合具体应用实践中单层门式刚架结构的一些设计、施工实践经验以及在工程实践中所遇到的问题，在经过不断总结的基础上，探讨了在进行单层门式刚架结构设计优化时应该注意的问题，所提出的解决方案以期能为单层门式刚架结构的设计优化提供一定参考。

1 单层门式刚架结构的主构件设计思考

1.1 刚架尺寸及布置

结合单层门式刚架跨度的实际情况来看，跨度应满足在工程要求的12～36 m 范围内，如果柱宽度存在不均等的情况，则应统一进行外侧对齐的方式，结合室内高度来合理调整单层门式刚架结构的高度。在考虑单层门式刚架间距离时，应从整体上综合考虑负载情况、刚架跨度等因素，间距往往可以设置为6.0、7.5、9.0 m，并且应保障纵向、横向温度区段分别小于300 m、150 m。

对于荷载组合方面，则应重视以下问题：

（1）因为单层门式刚架属于对风荷载比较敏感的结构，结合GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称《门规》）以及GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》相关规定，基本风压仍可按照50 年重现期的风压取值，但应该按照《门规》4.2.1 部分乘以增大系数β。由于风可以从任意方向吹来，内部压力系数应根据最不利原则与外部压力系数组合，从而得到风荷载的控制工况，即为4.2.1部分给出的风荷载系数。通过“鼓风效应”和“吸风效应”分别与外部压力系数组合得到二种工况：一种为“鼓风效应”（+i）与外部压力系数组合；另一种为“吸风效应”（-i）与外部压力系数组合（注（+i）、（-i）分别表示构件在风荷载作用的“鼓风效应”和“吸风效应”的工况）。结构设计时，两种工况均应考虑，并取最不利工况下的荷载。低矮房屋屋面风吸力较大，这是《门规》与现行国家标准GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》最大的区别，檩条在风吸力作用下有可能产生下翼缘失稳，在设计时应予以注意。

（2）结合实际情况中的积灰荷载与雪荷载，以及相应不上人屋面均布荷载情况，选择其中较大值，尤其应注意基本雪压应该取100年重现期的雪压，采用屋面积雪的不均匀分布。

（3）不上人屋面均布荷载并不和雪荷载一起考虑，仅结合实际来选择不上人屋面均布荷载或雪荷载中较大数值的荷载。

1.2 刚架最优间距的确定

在综合考虑屋面荷载、檩条形式的基础上，方可提出合理的刚架间距。当刚架的跨度较小时，如果不切实际提出较大的刚架间距，往往会造成檩条用钢量的增加，增加成本。通过结合相关项目的实际情况，计算分析可知，在逐步增加刚架间距情况下，刚架用钢量会出现下降，如果满足相关条件的柱间距要求，具有较好的经济性。例如，对于柱高度6 m，通过计算以及分析得到相应的刚架最优间距分布如下：针对跨度为9～12 m的刚架，间距选择6 m较为合适；对于跨度为12～18 m的刚架，选择7.5 m的间距合适；而跨度为18～36 m的刚架，则应选择7.5～9.0 m的间距。

1.3 单层门式刚架结构设计

单层门式刚架结构设计应注意以下方面：

（1）重视墙体以及面板所涉及到的对接处理，以保障支撑结构的稳定性能得到提升[1]。

（2）考虑到门式刚架结构的强度以及弯折性的情况，在具体的运输及安装环节中，一定要从实际出发制定具体的保护措施，避免出现形变的问题[2]。

（3）考虑到钢材的实际情况，还应保障构件在保存以及应用中存在着的生锈问题，避免造成受力方面的负面影响[3]。

（4）结合单层门式刚架结构的特点，应重视轻型化存在的相应问题以及风力载荷的作用影响等。

（5）结合应用实践情况，单层门式刚架大多体现出框排架结构体系方式，主要是利用多榀并排平面主框架在某些纵向构件连接形成的空间结构体系。

1.4 连接节点的优化设计

结合相应的节点连接情况，参考单层门式刚架结构，横梁以及柱连接方式，大多为以下3种方式。①端板平放，连接刚度较小，应实现梁柱加腋，能体现出安装环节的便利性；②端板竖放，这种方式对螺栓或焊缝的过程要求较高；③端板斜放，具有最大的刚度，安装难度较大。

2 围护构件的优化设计

2.1 檩条与墙梁

对于檩条形式进行分析，主要涉及到的有钢檩条和组合檩条的类别。结合门式刚架的特点，相应的截面形式大多为实腹式冷弯薄壁C 型或Z 型。另外，综合考虑天窗分布情况、采光实际特点、刚度以及长度等方面来合理确定檩条间距，一般往往选择等间距布局的方案。一般来说，使用承重柱或墙架柱来设置墙梁，能有效实现墙体荷载传递到柱子。

2.2 支撑和刚性系杆的布置

支撑和刚性系杆的布置应考虑以下问题：

（1）在设计柱间支撑开间环节，则应合理设计纵向支撑结构，以提升结构的几何稳定性。

（2）端部支撑则是往往在温度区端部相应的1个、2 个开间阶段，并结合受力情况来优化相应的柱间支撑距离，大多为30～45 m。

（3）结合刚架转折的情况，优化设置刚性系杆，或者还可以通过使用檩条材料代替刚性系杆，如果难以满足实际项目的需求，可以将H型钢或钢柱加装在刚架斜梁，满足强度的要求。

2.3 空间的优化设计

从房屋实际需求出发，有效实现空间的优化，并要重点考虑对钢结构影响较大的因素，结合现场中存在的问题，积极与设计人员、建设单位进行沟通和交流，以保障空间优化任务的顺利完成。

3 工程案例

3.1 工程概况

中顺洁柔（湖北）纸业股份有限公司年产30 万t高档生活用纸项目二期工程的原料仓库，位于湖北省孝感市，建筑抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，基本风压Wo=0.35 kN/m2，地面粗糙度为B 类，按100 年重现期的基本雪压Wo=0.6 kN/m2。跨度为21 m，刚架间距7.5 m。

3.2 单榀刚架结构设计

3.2.1 刚架柱顶水平位移分析

经计算分析，因为本建筑位于低烈度区，所以主要水平荷载为风荷载控制。在水平荷载作用下，最大柱顶水平位移为1/663，满足《门规》中无吊车的单层门式刚架柱顶位移1/60 限制的要求，符合相应的设计标准内容。

3.2.2 主要受力构件应力比控制

结合构件屈曲后强度的情况，通过分析计算，钢柱的强度应力比以及稳定性应力比均控制在0.80～0.85之间，钢梁的强度应力比以及稳定性应力比均控制在0.85～0.89 之间较为合理，既有一定的安全储备，用钢量也比较经济。

3.2.3 积雪荷载的分布

该地区按100 年重现期的基本雪压为0.6 kN/m2，在设计时必须按照《门规》第4.3部分，考虑雪在女儿墙与屋面交界处以及内檐沟处的局部堆积作用。

3.3 支撑设计

在设计屋盖水平支撑时，从屋盖刚性角度出发，不仅要在刚架的横向设置交叉屋面支撑，也要沿刚架的纵向在两侧设置无屋面支撑，这样能保障结构刚度得到合理化调整，有利于实现整体性的要求，满足受力状态的要求。

在进行柱间支撑设计方面，结合项目，选择交叉形的柱间支撑方案，能满足项目的实际要求。

4 结 语

本文结合具体应用实践中单层门式刚架结构的一些设计、施工实践经验，以及在工程实践中所遇到的问题，在经过不断总结的基础上，探讨了在进行单层门式刚架结构设计优化时应该注意的问题，但在优化单层门式刚架结构设计的过程分析中，仍然还存在着诸多的不完善之处，在中国建筑行业快速发展的背景下，一定要充分重视合理化选择单层门式刚架结构，在工作实践中，从项目实际情况出发，重视结构设计工作的每个细节，从而全方位推动钢结构设计的科学性、合理性发展。