浅谈门式刚架结构设计中的一些问题

荆晓丽 煤炭工业太原设计研究院集团有限公司

1 前言

随着我国经济的迅速发展，门式刚架由于其结构体系简单，设计施工难度低，安装简便，施工周期短、占地小，工程造价低，可多次拆装、重复使用等优点，在我国南北方地区被广泛采用。门式刚架结构形式备受建设方及设计人员的青睐，在某种程度上基本取代了钢筋混凝土结构。门式刚架结构是一种刚性构造的钢架结构，属于钢结构中的一种。其主体由门框、支撑装置、杆件以及各种附件等组成，具有自重轻且稳定的特点。随着钢结构技术在我国建筑上广泛应用，也出现了不少问题。例如支座水平刚度不够、支座下端受力不均匀、支座下端偏心，使建筑重心偏西等，引起大量纠纷。为了提高钢结构工程质量，防止设计和施工中出现各种质量问题及安全事故，必须对门式刚架进行深入研究及全面设计，它是由多个主要节点的独立支承形成的连杆体系。

2 门式刚架规范的适用范围

GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（以下简称《门规》）的应用领域在实践中往往被忽略，《门规》1.0.2条对该规范的应用领域做了较详细的说明，对于超过规范要求的门刚设计，应以现行GB 50017《钢结构设计标准》为依据进行设计。

（1）《门规》适用于符合以下条件的钢结构：①主要承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架；②轻型屋盖、轻型外墙；③无桥式吊车或由起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机；④跨度在9m～36m范围内。

（2）对于超出上述适用范围的门式刚架，除了围护结构和檩条、墙梁等次要结构可参照《门规》的相关规定进行设计之外，主结构的设计应按照现行GB 50017《钢结构设计标准》相关要求执行。

3 门式刚架设计时荷载取值

我国门式刚架设计时荷载取值主要设计依据现行GB 50017《钢结构设计标准》、GB 51022《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》。

3.1 荷载及荷载组合

（1）永久荷载。永久荷载包括屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。设计时往往会出现永久荷载取值偏小或者漏算，如屋面板或者墙板采用夹心压型钢板，但是计算却按照单层非夹芯板的重量采用；或者漏算墙梁传至钢架的荷载等。

（2）可变荷载。可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1kN且作用在结构最不利位置上）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。同时需要注意，吊挂荷载宜按活荷载考虑，当吊挂荷载位置固定不变时，也可按照恒载考虑。对于承受水平投影面积大于60m2的钢架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2，但是此时应注意，这个取值仅适用于只有一个可变荷载的情况，当有两个或两个以上的可变荷载考虑荷载组合值系数参与组合时，屋面活荷载组合值系数仍应取0.5kN/m2。

（3）风荷载。由于风荷载往往是确定主体结构的截面尺寸的主要荷载，在风荷载的取值上除了要满足现行相关规范外，也要根据项目所在地区的实际气象资料计算，同时还应注意以下两点：根据现行《门规》规范规定，在计算主钢架时系数取1.1；计算檩条、墙梁、屋面板和墙面板及其连接件时系数取1.5；主要门刚高度不同时风压高度变化系数也应按照现行《建筑结构荷载规范》执行，设计人员在手算复核时要注意新规范与旧规范的区别，以免造成计算错误。

（4）雪荷载。按照现行GB 50009《建筑结构荷载规范》的规定，门式刚架轻型钢结构基本雪压按照100年重现期取值，同时在选取雪荷载时要注意各地区的积雪平均密度，根据规范划分的范围确定所在区域积雪的平均密度；对门式刚架高低跨处、多跨门的内天沟处，房屋突出及女儿墙部位，还应考虑积雪不均匀分布的不利影响，尤其是檩条计算时容易遗漏此处的积雪荷载，工程设计中可考虑在这些区域减小檩条间距的布置。

（5）荷载组合。荷载组合一般应遵从现行《建筑结构荷载规范》的规定，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》根据其自身的特性，提出了以下几个基本原理。①屋顶均布活荷载不与雪载荷同时考虑，应取两者中的较大值。②积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。③施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。④按《建筑结构荷载设计规范》中有关的有关规定，考虑多个起重机的联合使用。⑤在考虑到地震影响的情况下，不能将风荷载和地震荷载结合起来。

4 钢架的选用

（1）一般情况下，当钢架跨度较小时，门和刚体的结构以强度为主，这时可以选择高强度的钢板、厚度更大的翼缘，使其横断面变得更低，成本更低，且保证了安全。而在大跨度钢框架中，由于其具有钢框架变形，建议采用更薄、更高的腹板，以有效控制钢框架变形，并使其在适当的受力范围内。因为先前的强度不会对变形产生任何影响，设计者可选择更便宜的钢板，既安全又省钱。在能达到强度又达到变形的条件下，主钢架构件受压板件中，工字型截面构件受压翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比不应大于工字型截面梁、柱构件腹板的计算高度与其厚度之比不应大于250。

（2）柱脚的设计。门式刚架一般采用外露式柱脚，柱脚锚固连接节点根据其受力特点的不同，又分为铰接柱脚节点和刚接柱脚节点。

铰接柱脚可以将柱的轴力和剪力传递给基础，柱的轴向压力通过底板直接传递给基础，拉力由底板经过锚栓传递给基础，地基受到的轴向和横向剪切很小，结构和受力都较简单，造价也较低。

而柱脚刚接时，作用于柱的轴力、剪力和弯矩通过柱脚传递给基础，因为同时存在轴向力、剪力和弯矩，故基础的尺寸很大。《门规》5.1.4条规定“门式刚架的柱脚宜按铰接支承设计，当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，可将柱脚设计成刚接”。门式刚架的柱脚采用铰接还是刚接还要看房屋的高度和风荷载的大小，如果房屋的高度较大风荷载也较大，就是无吊车，若柱脚采用铰接，柱顶位移较大，为控制柱顶位移要增大梁柱断面，增加用钢量。另外，门式刚架的柱脚是采用铰接还是刚接还要考虑土质情况及基础造价。一般采用刚接柱脚，由于基础要承受较大的偏心弯矩，基础的平面尺寸和造价较采用铰接柱脚的基础要大，土质情况差的时候，相差会更大。因此，选用何种柱脚形式要根据房屋的高度、风载大小、有无吊车、吊车的吨位和工作情况及土质情况等综合考虑。

5 结构支承体系的布置

门式刚架轻型钢结构中，刚架跨度越大，支承体系的刚度作用就越明显，支承是连接主要承重构件使其组成整理的重要组成部分。柱间支撑和屋面支承是抵抗纵向风荷载作用和地震荷载作用的主要构件。柱间支撑采用的形式适宜采用门式框架、圆钢或缆索交叉支撑、型钢交叉支撑、方管或圆管等人字支撑。若建筑高度超过2个立柱间隔，则分别在支撑工作平台、大工艺荷载、吊车牛腿荷载和低屋顶时，相应地在这两个节点上分别设置支撑点。柱间支承的布置要视房子纵向柱距、受力情况、温度区等情况而定，在没有起重机的情况下，柱间支承的间隔应该为30m～45m，如果有起重机，则在温度区的中间位置。

屋面支撑作为抵抗纵向风荷载作用和地震荷载作用的主要构件，能保证结构的空间整体作用，避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动，承担和传递水平荷载，保证结构安装时的稳定与方便。横向水平支撑一般应设置在房屋两端或纵向温度区段两端，有时可布置在第二个柱间，但第一个柱间要设置刚性系杆以支持端屋架和传递端墙风力。两道横向水平支撑间的距离不宜大于60m，当房屋较高、跨度较大、空间刚度要求较高时，设有支承中间屋架的托架，或设有重级或大吨位的中级工作制桥式吊车等较大振动设备时，均应在屋架端节间平面内设置纵向水平支撑，纵向水平支撑和横向水平支撑形成封闭体系将大大提高房屋的纵向刚度。单跨厂房一般沿两纵向柱列设置，多跨厂房要根据具体情况，沿全部或部分纵向柱列布置。

在横向支撑或垂直支撑节点处沿房屋通长设置系杆。在屋架上弦平面内，对无檩体系屋盖应在屋脊处和屋架端部处设置系杆；对有檩体系只在有纵向天窗下的屋脊处设置系杆。在屋架下弦平面内，当屋架间距为6m时，应在屋架端部处、下弦杆有弯折处、与柱刚接的屋架下弦端节间受压但未设纵向水平支撑的节点处、跨度≥18m的芬克式屋架的主斜杆与下弦相交的节点处等部位皆应设置系杆。当屋架间距≥12m时，支撑杆件截面将大大增加，多耗钢材，合理的做法是将水平支撑全部布置在上弦平面内并利用檩条作为支撑体系的压杆和系杆，而作为下弦侧向支承的系杆可用支于檩条的隅撑代替。

6 防腐蚀处理

在钢结构的使用过程中，钢构件与环境中的腐蚀性介质发生化学反应，导致钢构件被锈蚀，造成钢构件的力学性能下降或整个结构变形、倒塌，因此应特别重视钢结构的防腐蚀性处理。

6.1 钢结构腐蚀的主要影响因素

从目前来看，主要影响钢结构表面腐蚀的有自然因素、涂料老化，施工原因等。

（1）常温下（100℃以下）钢材的腐蚀机理。常温下钢铁的腐蚀主要是电化学腐蚀，钢建筑在大气中常温下工作，由于大气中的水分、氧和其他杂质（焊渣、锈层）的影响，导致钢的锈蚀。当空气中湿度低于60%时，钢铁的侵蚀程度较小；但在一定湿度下，钢筋的锈蚀速率会急剧上升，即临界湿度。在室温条件下，普通钢的平均相对湿度在60%～70%之间，如果大气受到污染或海水中含有盐分，则其临界湿度较小，钢铁表层会出现一层水薄膜。在水薄膜中，以焊接渣层和未经清洗的氧化铁（氧化铁）为负极，以钢结构部件（基体）为阳极电化学。空气中的湿气在钢铁表面上吸收会产生一层水层，是导致钢铁材料的侵蚀的主要原因；空气中的含水量和污染浓度是影响空气侵蚀的主要原因。

（2）高温下（100℃以上）钢材的腐蚀机理。高温下钢铁的腐蚀主要是化学腐蚀。高温状态下，水以气态存在，电化学作用很小，降为次要因素。对于一些小构件的锈蚀也应引起重视。例如墙面板与檩条连接处，若雨水沿其连接处的缝隙深入，在长期的接触氧化作用下，雨水慢慢锈蚀连接件，其造成的损失也很大。

6.2 防止钢结构腐蚀的有效处理方法

①采用耐腐蚀性的钢材，如掺铜、铬、镍等合金组合的低合金钢；②使用涂层和金属镀层保护，如热镀锌法、涂层法等；③降低大气湿度，如合理设置屋面坡度，防止钢结构缝隙中存水等；④长效防腐蚀——阴极保护法，在钢结构表面附加较活泼的金属取代钢材的腐蚀，此方法常用于水下或地下结构；⑤化学保护层法，是用化学或电化学的方法，使件数表面生成具有耐腐蚀性的薄膜，以此隔离金属与腐蚀性介质的接触，如钢铁的钝化、磷化处理。

7 支座的水平刚度

钢结构支座主要起到承重作用，当承受水平力作用较大时，才能保证构件的稳定和可靠。而钢构件由于材料性质的差异产生的刚度差异往往成为支座水平刚度不够的主要原因。主要原因为：①施工安装难度大，支座位置和长度无法准确确定，使得水平刚度相差很大。②建筑水平高或小，支座尺寸较小，使得支座所受弯矩小于正常支座，抗震能力较差，因而引起不必要的损失。③施工安装精度不够，对某些关键部位的支座安装位置和尺寸等未做严格限定。根据GB 50206—2008《钢结构工程技术规范》第8.1.2条规定，支座位置误差不得超过3mm，支座高度误差不得超过2mm，水平刚度误差不超过2MPa等。但实际施工过程中，由于支座位置不一或偏差较大时，水平刚度会受到影响且不均匀。必须加强设计过程中对各部件的水平刚度的控制，保证建筑物正常抗震能力的要求。对每个部件在确定位移时至少应采取两个措施：一是控制挠度偏差，二是确定承载力。当支座位移量很小时，一般采用提高水平刚度的方法控制其水平位移和抗水平地震力性能上的影响；当支座位移量大时，采用提高竖向刚度控制其水平位移和抗水平地震力性能上的影响。

8 结构布置与计算

对于上部结构，可采用分段布置。但在高层住宅建筑中，为了减少因地震荷载引起的侧向位移采用分段布置的方式。但这种布置方式由于自重小，且使建筑重心偏西导致房屋横向刚度不够。门式刚架结构则应采用分层布置方法，高层建筑还应考虑门框的水平刚度问题，也要考虑高层建筑所用荷载的大小，其强度以及水平变形、竖向位移等也应采用分层布置的方法，即将每一层按规定的竖向荷载（每层的竖向位移）和水平变形（水平位移在整个楼层内变化）综合考虑计算结果后进行设计。门式刚架结构由于其上部结构由多个构件组成，所以对混凝土抗压强度提出了较高的要求；且门式刚架各构件间的相互作用力在设计时要进行计算，使其相互影响减小整体强度的损失。合理布置不同的柱、梁、墙及桁架等构件，能够更好地适应高层建筑结构特点及抗震性能的要求。

9 结束语

门式刚架房屋以其跨度大、重量轻、施工速度快、综合经济指标低和适用范围广等特点，在各种结构中使用越来越多，已有了丰富的实践经验，但仍存在较多问题有待探讨，需要不断地探索分析，提高设计质量，以保证门式刚架轻钢结构的安全性和合理性。