大跨度门式刚架结构设计研究

张艳虹 兰州煤矿设计研究院有限公司工程师

目前，现代化工业呈现出规模化、集约化的发展趋势，工业企业的建设规模逐渐扩大，轻型门式刚架结构被广泛应用到厂房建设中，充分体现出经济性和环保性优势。在门式刚架应用期间，应对现有钢结构进行加固处理，采用门式刚架提升厂房荷载能力，使厂房改造效果更加显著。

1 门式刚架概述

近年来，国内很多厂房都在进行结构改造，在先进生产工艺的支持下，门式刚架结构得到广泛应用，可使现有钢结构更加牢固。与加固前相比，厂房的荷载能力得到显著提升。大跨度门式刚架的经济性较强，与钢混结构相比，材料品质更有保障，设计结果与理论值更相近，设计误差相对较小，可为施工管理提供诸多便利。此类刚架因跨度较大，在荷载作用相同的情况下，激励变形与普通刚架结构相比较小，且间距相差较大。在跨梁布设期间，与常规钢结构有所不同。以中小跨梁布置为例，通常为两端连接中间；在大跨度刚架布置中，如果使用上述方式，则强度与牢固性均无法满足要求，用钢量也会增加。对此，大跨度跨梁中部利用变截面方式，扩大两端支座与跨中截面，当弯度变化截面逐渐增加时，能够节约更多钢材，在满足建筑跨度需求的前提下节约成本[1]。

2 门式刚架结构设计的内容与方法

2.1 主体设计

2.1.1 刚架高度

刚架高度一般为4.5 ～9 m，根据实际需求可适当扩大；间距多取为6 m，根据荷载实际作用也可适当增加，但要控制在12 m 以内。如果刚架房屋长度较大，受温度的影响需要设置温度缝，通常跨度小于36 m，多设置双柱；伸缩缝构造也可利用双柱，山墙位置由抗风柱、钢梁、檩条等构成墙架，或者也可直接利用门式刚架[2]。

2.1.2 刚架跨度

跨度指柱网轴线横向两个柱子间的距离，高度指横梁柱子交点间的距离。在大跨度刚架工程开展中，跨度常常超过60 m。一般刚架跨度为9 ～36 m，当边柱宽度不同时，外侧应对齐。为使刚架结构更加稳固，可增加房屋支撑，将支撑距离调整到30 ～40 m。一些房屋高度有要求，可将柱间支撑分层设置，使房屋形成几何固定体系，增加牢固性。对于轻型钢结构厂房来说，梁柱间的支撑需要考虑建筑物的剪力承受能力，将受拉建筑结构长度和厚度按照特定比例计算，在设计初期一般会扩大柱间横截面积。在仓储房屋建造中，无需考虑整体承受压力，多采用圆柱体梁柱，并安装紧固装置，集中控制纵向水平受力。

2.1.3 刚架选型

可选择单跨双坡门式、多跨双坡、双跨双坡等形式，禁止全部门刚采用相同的设计方法，而是要按照现实需求而定，如厂房、仓库等场所对房屋功能要求较为严格，在设计时应坚持功能至上，剩余要求在满足功能的情况下开展。

2.2 构件整合

刚架设计完毕后，还要考虑经济性，减少钢的用量，对各个构件进行整合，以免相互影响。在构件整合期间，设计变量和刚度矩阵均为单一线性关系。尺寸优化的重点在于敏度分析，即在构件形式固定的情况下，通过调整构件尺寸实现省钢目标。在计算期间，根据有限元应力与位移情况进行敏感性分析，获得最优构件尺寸，实现优化目标。截面采用最优化理论，以最少用钢量为目标，以各种设计规范内的限制条件为约束条件，采用数学法求解，最终获得理想的答案；也可以根据以往经验对比多个可行的截面形式，选出最节省材料的一种。在实际设计中，材料类型优化十分关键，应在计算截面尺寸后进行调整，最终确定最小重量，达到省钢的目的[3]。此外，还可通过定性分析的方式，先明确结构具备的功能，了解相关的生产工艺与所需空间，然后按照结构功能要求、客观条件对所用材料进行优化处理，多采用方案对比、择优选择等方式实现。

2.3 关键部位优化

（1）檀条布设。檀条设计经常受环境影响，在设计初期应考虑安全性和稳定性，要求设计者经过一系列推算对檀条截面面积进行合理设计。

（2）压弯构件设计。以实腹式梁为例，构件强度与稳定性均要满足要求，根据工程提出的荷载要求确定截面尺寸。在符合结构规定、局部稳定的情况下，适当选择略大些的尺寸，但杆轮廓较薄，横截面与截面轴线间的距离较远，在同样的横截面下得到的旋转半径较大，有利于节约钢资源。

（3）刚架柱与横梁高度匹配。在结构设计中应严格遵循相关规定，使梁柱宽厚比小于最大值。在选择钢梁与柱截面时，可参考相似工程，不同类型梁体的适用跨度不同，实腹梁适用于跨度为1/30 ～1/45 的刚架，格构式梁适用于跨度为1/15 ～1/25 的刚架。

（4）刚架变截面优化。设计者一般根据经验初步确定位置，但因该项指标受刚架用钢量的影响，计算模型跨度较大。当刚架所受荷载只有恒载、活荷载两部分时，变截面位置可为跨度的0.4 ～0.5，受风荷载的影响，无需改变变截面位置，但屋脊位置的变截面、梁截面相对较小。在高厚比、宽厚比符合规定的情况下，可利用薄板件；如果截面强度未达到要求，则可先稍微增加截面高度，当该项指标达到极限后，再适当增加翼缘板宽度。在该项指标达到限值后，便于增加翼缘板厚度[4]。

3 门式刚架结构的有限元分析

3.1 单元类型选择

该结构主要由型材、螺栓、钢板、钢丝绳等构成，根据各部分的单元特性与受载特点，在有限元计算中，利用梁单元进行有限元建模。梁柱结构具有承受扭转、压缩、拉伸等作用，且自重较大，利用BEAM188 单元离散。该单元在Timoshenko 梁分析理论基础上创建，各个节点都有6 ～7 个自由度，不但可描述梁的关键特征，还增加了横截面定义功能。在剪切变形的作用下，单元插值函数内的挠度、截面转动均可相互独立。钢丝绳在运行中单纯承受拉力作用，利用LINK 单元进行离散处理。该单元具有双线性刚度矩阵特点，为了达到与真实钢丝绳相同的制约效果，可单独设置受拉选项，在单元受压时刚度消失，每个钢缆都采用单独的单元进行模拟。结合电动葫芦的运行特点，可将该模型简化成一个节点，利用MASS21单元进行离散，并计算重力加速度，由此产生惯性载荷。有限元建模中的单元选型如表1 所示[5]。

表1 单元选型方案

3.2 模型构建

采用PKSTS 软件中的处理模块进行建模，在建模前针对几何模型进行简化处理。在确保分析精度不变的情况下，为了减少求解计算量简化模型，使总体结构、焊接位置、不同功能端板得到有效处理。建模过程中，将PK 管、PK 板简化为线和面，使其成为模型内的关键元素，整体结构有限元模型如图1 所示。因有限元分析依靠节点传递载荷，如果只有一个连接点，则力会集中作用于该点，与实际情况不符。为了模拟真实受力情况，创建线和面间的连接点，使载荷经过截面边界作用到端板上，由此得到更符合实际的有限元模型。

图1 整体结构有限元模型

3.3 求解和分析

运行过程中，电动葫芦主要从事两种运动，即提升重物、横纵向移动重物。因运行速度较慢，在分析期间，假设载荷处于匀速行走或者静止状态。在这一假设下，对最大工作载荷、电动葫芦、门架重量对门架结构产生的影响进行分析。在有限元分析中，位移单位为m，应力单位为Pa，输出应力为Von Mises，位移等值线图中展现的位移为总移动量。电动葫芦处于门架不同位置时，有限元分析结果不同。跨中位置时，门架应力和横梁挠度值最高，即12.78×10—3m，固定钢丝绳方管端部位移值6.39×10—3m，横梁跨度设为16.5 m，挠度和跨度的最大比值为0.775/1 000。在应力计算方面，根据分析结果可知，横梁和立柱衔接位置的应力值最高，即44.7×106Pa，位于横梁和立柱衔接的端板位置。对于常规螺栓来说，顶部螺栓的拉力最大，受弯矩影响，顶部螺栓拉力的计算公式如下。

式中，M代表端板位置弯矩值，m代表螺栓列数，y1代表螺栓和中性轴间的距离，y2代表横梁和立柱间的距离。根据相关规定，钢结构节点连接应利用高强度螺栓来维持稳定。在无盖的跨度下，杆件内部与所受动力荷载相对较大，利用摩擦型高强度螺栓来连接各个节点即可。

4 大跨度门式刚架结构设计案例分析

4.1 工程概况

以某扩建改造厂房工程为例，利用轻钢结构进行设计。将厂房分成两部分，一是有夹层，二是单层厂房。厂房面积为6 500 m2，由17 榀跨门式刚架构成。每两榀刚架的间距为5 ～11 m，厂房檐高为7 m，屋顶标高为8.5 m，屋面活荷载0.5 kN/m2，恒荷载0.4 kN/m2。按照上述数据进行施工，需要合理选择刚架结构形式，对柱脚节点、梁柱连接节点进行设计。

4.2 选择刚架结构形式

在选择结构形式时，需要对用钢梁进行估算和对比。根据以往设计经验，单层厂房跨度低于30 m 的情况下，承重结构用钢量在10 ～30 kg/m2。为了降低用钢量，提高经济性，应从截面、荷载、跨度3 方面进行优化设计。

（1）截面。根据工字型截面受力特征，尽可能高而薄，由此减少用钢量；按照内力分布情况，采用腹板高度变化的楔形截面，并调整梁柱翼缘的宽度或厚度。

（2）荷载。因门式刚架的重量较轻，抗震作用难以发挥，但对竖向荷载、风荷载的敏感性较强。在设计期间，应逐一计算竖向荷载，特别是起吊钢梁上荷载较大的作用点，体型系数应按照规范分区取值，不能统一计算，确保荷载设计合理，减少不必要的材料浪费。

（3）跨度。该项目跨度超过30 m，在条件允许的情况下增设摇摆柱，两端铰接的摇摆柱按轴心受压构件进行设计。

4.3 节点连接

在设计该项目的柱脚节点时，节点形式应与计算简图相适应。因该项目中的铰接柱脚截面与荷载均较小，只采用一对锚栓的铰接柱脚即可。钢接柱脚可利用带加劲肋型，因柱脚锚栓不可用于传递柱脚底部水平剪力，该水平反力由底板和混凝土基础顶面的摩擦力承受。在水平剪力超过摩擦力的情况下，可设置抗剪键。因门式刚架结构的重量较轻，水平剪力相对较高，应在边柱的柱脚位置安装抗剪键，以满足设计要求。

在梁柱连接节点中，门式刚架斜梁和柱体的连接点内力较大，属于门式刚架关键节点之一，通过端板将其连接起来。在端板连接中，通过端部焊接端板和其他构件端板相连，此种方式不但经济性强，且与普通节点相比，还可减少材料与紧固件的应用，安装简便。端板连接作为抗弯连接的一种，由高强度螺栓承受剪力、轴向力，节点板压力分布由连接材料、荷载承受力决定。因施工单位将地面经过的电缆变成纵向刚架穿过，使本段恒荷载量增加，有两榀刚架应力超出界定值，需要进行加固处理。结合已知数据，采用粘钢板加固技术先对表面油漆进行酸洗处理，再用砂纸打磨，直到金属面露出来，最后上胶进行钢板粘结。

5 结语

在现代化工业发展中，门式刚架作为新型结构形式得到广泛应用。此类刚架结构可支持大面积空间，可满足大型厂房的建筑需求，但因网架结构设计较为烦琐，施工周期较长，需要设计者对门式刚架的结构特点、设计内容与方法进行重点分析，并利用PKSTS 软件进行有限元分析。在门式刚架节点优化中，应做好主体设计、构件整合、压弯构件设计等工作，使刚架柱与横梁高度匹配，并重视刚架变截面优化，使关键节点设计满足要求，在实际项目中切实可行。