工业厂房门式刚架轻型房屋钢结构设计流程及要点分析

孙金鹏

（太原市政工程勘测设计院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

门式刚架轻型房屋具有加工制作方便和抗震性能好等特点，最早应用于临时营房和家庭车库等简易类的建筑工程上。目前，许多建筑工程项目的建设周期愈来愈快，部分项目对工期有着较为严格的要求，所以一些工业厂房或简单构筑物可引入门式刚架轻型钢结构，此类结构十分的环保、节能，且施工速度快，能满足建筑工程的施工进度要求。但在实际施工建设中，要充分发挥门式刚架轻型钢结构的优势，须不断优化设计过程，明确设计要点，确保设计成效。本文就工业厂房门式刚架轻型房屋钢结构设计的流程及要点进行分析，以供参考。

1 门式刚架轻型房屋钢结构的优点

门式刚架作为一种简单的结构体系，施工方便，将其与钢结构构件相结合建设房屋，能够保证房屋的承载性。门式刚架轻型房屋钢结构具备以下优点：

（1）施工周期短。门式刚架轻型房屋钢结构之所施工周期短，完全取决于轻量化，易于加工和安装。

轻量化：门式刚架轻型房屋钢结构采用轻型钢材料，使得整个结构相对于传统的混凝土结构来说更加轻盈，重量大大减轻，从而降低了对基础的要求，缩短了施工周期。

易于加工和安装：门式刚架轻型房屋钢结构的加工和安装相对于传统的混凝土结构更加容易和灵活，其应用的钢构件会提前在工厂加工完成，只需在现场施工时对其进行连接、组装即可，所以施工速度快，提升了工程施工的效率，达到预期的项目进度目标。

（2）使用空间大。门式刚架轻型房屋钢结构的屋面荷载较小，对于相同的占地面积，此种结构能做大跨度，使房屋空间利用更加宽广，满足用户的大跨度需求。

（3）能循环使用。门式刚架轻型房屋钢结构的材料多数是钢结构构件，十分便于拆卸、施工，且能够循环利用，十分环保，一般不会影响周围环境，与我国的绿色建筑理念高度契合。

（4）提高生产效率，成本相对低。工业厂房门式刚架轻型钢结构具有轻量化、易于加工和安装的特点，门式刚架轻型钢结构的材料和构件可以预制和加工，提高了工厂生产效率和工作效率，降低了建设成本。门式刚架轻型房屋钢结构能结合受力的实际情况做出变截面柱和变截面梁，受力结构简单，施工成本低，对于稳定性能、抗震性能要求不高的项目可使用此种结构进行施工建设[1]。此外，门式刚架轻型钢结构可以根据生产流程的需要进行定制，从而提高了生产效率和工作效率[2-3]。

（5）提高安全性。门式刚架轻型房屋钢结构采用轻型钢材料，但由于其结构设计合理，所用材料的强度得到了充分的发挥，从而使整个结构具有极高的强度和抗震能力，从而可以提高整个工业厂房的安全性。此外，门式刚架轻型房屋钢结构的所有连接采用螺栓连接，结构设计严格按照规范执行，从而使整个结构具有较高的可靠性和安全性[4-5]。

（6）可持续性好。门式刚架轻型钢结构采用轻型钢材料，减少了对自然资源的消耗，降低了对环境的影响。门式刚架轻型钢结构的材料和构件可以回收和重复利用，具有较好的可持续性[6-7]。

2 工业厂房门式刚架轻型钢结构设计流程

门式刚架轻型钢结构的设计流程一般包括工程调查和勘测、结构方案设计和结构荷载计算三个步骤：

2.1 工程调查和勘测

在进行门式刚架轻型钢结构设计前，需要对工程的基本情况进行调查和勘测，了解工程的地理环境、地形地貌、气候条件、建筑用地的状况、建筑规划和设计要求等。

2.2 结构方案设计

在进行门式刚架轻型钢结构的结构方案设计时，需要根据工程的实际情况和设计要求，选择合适的结构方案。确定结构的材料和规格，进行结构分析和设计计算，确定结构节点的连接方式和尺寸，制定施工图纸和相关规范。结构方案设计包括建筑的功能布局、建筑体系设计、建筑平面和立面的布局设计、结构框架的设计、连接节点的设计等。

2.3 结构荷载计算

在进行门式刚架轻型钢结构的结构荷载计算时，需要根据工程的实际情况和设计要求，确定建筑的设计荷载，包括自重、附加荷载和风荷载等。结构荷载计算是门式刚架轻型钢结构设计的重要基础。

3 工业厂房门式刚架轻型钢结构设计要点

3.1 基础构件的设计

工业厂房在使用门式刚架轻型钢结构进行设计时，应从墙架构件、支撑体系两方面开展工程设计。

（1）在墙架构件设计方面，设计人员可选择Z字形冷弯薄壁型钢与卷边槽形等作为轻型墙体结构的主要桥梁，并使用连续构件和简支构件的形式设计墙梁，在刚架柱上方撑起两端。若墙梁自身具备墙板落地、竖向承载力等条件时，设计人员则无需设置中间柱，而是要综合考虑墙梁自身重量所产生的剪力及弯矩，使设计更加合理；若墙梁、墙板的重量需要墙梁承受，那么则可考虑双向弯曲的情况。当墙梁跨度是4～6m时，需把拉条设置到跨中的位置，当墙梁跨度是6m时，则要将拉条设置到跨间的三分点位置，以此向墙架柱和承重柱等位置传递相应拉力。

（2）在支撑体系设计方面，因工业厂房轻钢结构的钢排架侧向刚度较为薄弱，若想更好地抵抗地震、吊车刹车荷载以及水平风荷载的作用，需在设计柱间支撑的开间时，设计屋盖横向支撑，通过构成几何不变的体系，使柱间支撑在温度区段端部的首个开间内。柱间所支撑的间距需结合建筑的安装条件、吊车情况和柱距确定，通常无吊车的工业建筑柱间不应超过45m的支撑间距，避免房屋设计出现风险。

3.2 结构尺寸的设计

一般情况下，工业厂房门式刚架轻型钢结构的尺寸设计要注意以下几点：

（1）在设定门式刚架跨度取值标准时，要以横向刚架柱的轴线之间距离为准；

（2）工业厂房门式刚架高度取值需是斜梁轴线、地坪至柱轴线交点的高度，要根据实际的使用要求、需求确定内净高；

（3）在选择柱子轴线时，可根据柱子下端的中心点竖向轴线确定，斜梁轴线可根据变截面桥段中的最小端中心和斜梁上的平行轴线确定；

（4）工业厂房门式刚架轻型钢结构的檐口高度要依据地坪到房屋外侧檩条上边的高度设定，房屋侧墙墙梁与外皮的距离是房屋的宽度距离。一般情况下，门式刚架跨度是9～36m 之间，若边柱宽度不相等，则需对齐外侧，使房屋结构更加合理、科学[8]。

3.3 合理设置刚架节点

在工业厂房门式刚架轻型钢结构的设计中，需按铰接式设计门式刚架柱脚，利用平板锚栓式铰接柱脚。如果工业厂房拥有5T及以上的桥式吊车时，则要将工业厂房的门式刚架柱脚设计为刚接的形式，如插入杯口式或锚栓式等。因柱脚锚栓很难承受柱脚底部的水平力，且柱底剪力小时可通过混凝土面、柱底板的摩擦来传递。若柱底剪力大，那么需在平板底部及时设计抗剪键来承受柱脚底部上的水平力。斜梁刚性和一般刚架边柱进行连接时，通常是斜梁、中柱采取铰接或中柱柱顶刚接的方式。对于斜梁和柱子之间的刚接，则可使用端板斜放、端板平放和端板竖放等形式。在刚性连接方面，应使用强度高的摩擦螺栓手段，且螺栓要呈现对称的状态，在受压翼缘、受拉翼缘内侧、外侧设置螺栓。另外，门式刚架与传统钢结构体系在计算受力时，有明确的传力路径，其结构体系中的压型钢板、檩条及刚架都互相支撑、依托，使得房屋受力趋向空间化。

3.4 塑性设计门式刚架

门式刚架主要包括以下三类荷载：一是屋面结构类的自身重量，是永久的荷载；二是在屋面活荷载中的较大者荷载重量；三是风荷载。通常情况下的工业厂房弹性设计需结合不同荷载情况独自计算刚架内力，并有目的、有计划地组合各个构件，计算出最不利的设计值。针对超静定的工业厂房结构，可使用塑性设计的手段进行门式刚架设计，灵活利用构件与结构的塑性性能，实现节约材料的目标。在塑性设计期间，要精准确定钢结构中塑性铰位置，算出构件截面的弯矩。另外，工业厂房的门式刚架轻型钢结构设计，要着重分析门式刚架的结构。如通过静力法确定塑性弯矩、塑性铰位置，具体而言，先除去构件中存在的超静定赘余反力，形成静定的结构，随后在了解荷载作用的基础上，确定静定结构的具体弯矩图，将赘余反力作用于静定刚架中，并结合实际要求绘制因赘余反力导致的弯矩图，叠加前方两弯矩图，算出门式刚架机构的塑性铰具体位置，满足门式刚架的机构条件与平衡条件[9-10]。

3.5 柱网布置和结构选型

门式刚架所布置的跨度需根据建筑物的实际建筑环境、使用需求确定，通常范围是9～36m。据相关研究表明，最为显著的门式刚架跨度选值是21～30m，若跨度大则材料消耗小。因此，在柱网布置方面，可将排架柱间距合理控制到6～9m的区间，跨度若是越大，柱距也会越大，所以可将排架柱、刚架跨度相比取出3.5～5m的数值，使建筑高度的净高在4.5～9m的范围中。为确保建筑拥有充足的排水功能，屋顶坡度的取值不能低于5%，且要综合考虑与分析横向风荷载的效果及作用，尽可能在满足承载能力和稳定能力的基础上，控制住钢架自身高度。另外，在选择钢柱形式时，应采取工字型的设计，明确截面应力的实际分布，发挥出材料原有的强度，以此提升资源的利用率。若是能保证结构稳定性，那么柱脚设计方面可优先使用铰接的手段，从而简化施工结构。

4 结束语

综上所述，工业厂房门式刚架轻型钢结构为现代工业化建筑提供了更加灵活、高效、经济的解决方案。通过对门式刚架轻型钢结构的特征、优势、设计建议和设计流程的分析可以看到，门式刚架轻型钢结构具有结构轻巧、易于加工、方便安装、节能环保等诸多优势，可以有效提高建筑的质量和效益，满足现代工业化建筑的需求。门式刚架轻型钢结构应用到工业厂房设计中，能缩短建设工期，提升施工质量。因此，相关人员在结构设计中，需明确设计要点，合理设置刚架阶段，注重基础构件的设计以及柱网的布置，循序渐进地提高结构稳定性，有效降低施工成本。在门式刚架轻型钢结构的设计和施工中，需要遵循科学规范，确保结构的质量和安全性，从而为现代工业化建筑的发展提供更加可靠、高效的支持。