浅谈轻型门式刚架结构设计中的心得

浅谈轻型门式刚架结构设计中的心得

浅谈轻型门式刚架结构设计中的心得

摘要：门式刚架是一种典型的轻型钢结构，它具有节省材料、施工周期短等优点，因而也是目前在国内应用最为广泛的轻型钢结构。

关键词：门式钢架；设计

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：

门式刚架结构作为一种轻型的建筑结构模式，具有用自重轻、用钢量少、造价低廉、施工方便易安装、周期短、能够循环利用等优点，这些年以来在国内得到了越来越多的应用和发展。

轻型门式刚架的主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。

1 关于柱设计

1.1 柱网布置的确定

在轻钢厂房结构设计中如何配合设备工艺要求进行柱网的平面

布置是首先要解决的问题。在尽可能满足生产工艺和使用功能的要求上，根据实际情况对刚架的跨度、高度以及和设计实践来确定柱网。一般根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第4.2.2条规定：门式刚架的跨度宜采用9~36m。当边柱宽度不等时，其外侧对齐。门式刚架的平均高度宜采用4.5~9.0m；当有桥式吊车时不宜大于12m。门式刚架的间距，即柱网轴线间的纵向距离宜采用6~9m。因为随着柱距的增大，其它各部分结构的用钢量均会随着柱距的增加而增大。尤其是吊车梁，这是因为，当柱距增大到一定程度时，就需采用格构形式了，其结果就是用钢量所占的比例增大，最终可能会超过刚架的用钢量。这样就得不偿失了。其次是檩条，由于有长细比的要求，其用钢量的增加也较快。也就是说，门式刚架柱网的布置对主刚架和檩条的用钢量大小有很大的影响。因此轻钢门式刚架钢结构设计时，应当按照实际情况选择经济合理的经济型跨度，不能盲目

的选择较大跨度。因为对于设计门式刚架钢结构来说，用钢量是一项重要的经济指标。

1.2 轻型门式刚架柱脚的连接形式

柱脚根据其能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第4.1.4条规定：门式刚架的柱脚多按铰接支撑设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。也就是说，设计5t以上的桥式和梁式吊车的门式刚架结构，柱脚应设计成刚接；设计3t及以下悬挂式吊车和无吊车的门式刚架结构时，柱脚才可以设计成铰接。这是因为有较大吊车的房屋，柱定位移较大，柱脚采用刚接时，可以使每榀刚架形成超静定结构，这样不但能减小柱定位移，还能具有更大的安全储备。当然对于那些高宽比和风荷载较大的无吊车门式刚架来说，其柱脚也宜设计成刚接。在实际工程中，刚接柱脚还是铰接柱脚关键在于锚栓的布置，刚接柱脚一般在刚架柱外侧采用四个或者四个以上的锚栓连接；铰接柱脚一般在刚架柱内侧采用两个或四个螺栓连接。一般情况下，柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求，则须设置抗剪键。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第7.2.20条规定：柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹处的有效截面面积。对于一般厂房来说，因其自重较轻，在风荷载作用下可能会在柱脚产生上拔力及水平剪力, 柱脚锚栓为拉弯构件,这对于柱脚锚栓是相当不利的，所以柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力。这时就需要设置抗剪键，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第7.2.20条条文说明中规定：剪键应采用在刚架平面方向截面刚度较大的工字型等垂直焊接于柱底板的底面，其截面和连接焊缝的抗剪承载力应进行计算。若抗剪键较高，需在基础表面做坑以便安装时将其插入，然后进行二次灌浆。抗剪键不应与基础表面的定位钢板接触。还要注意，底板设计时一定要有灌浆孔。

2 关于斜梁的设计

2.1斜梁截面的设计

门式刚架分为单跨、双跨、多跨等，其屋面坡度宜取1/8~1/20。根据跨度、高度和荷载不同，门式刚架的斜梁可采用变截面或等截面实腹焊接工字型截面或轧制H形截面。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形；必要时也可改变腹板厚度。但一般情况下变截面斜梁均采用工字钢，其上下翼缘的宽度和厚度保存不变，仅仅改变腹板的高度来调节斜梁的截面。门式刚架工字截面钢构件中腹板以受剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板的高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更为充分。但是，在增大腹板高度的同时，如果厚度增加过大的话，则会直接导致腹板的用钢量增加太多，所以也是不经济的。变截面斜梁也可以根据梁的弯矩包络图来确定梁的截面尺寸和变截面的位置。一般变截面位置设在梁的反弯点附近。因此，通过计算，选择合理的斜梁截面形式，才能使所用截面更合理和经济。

2.2 斜梁与刚柱的连接

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第7.2.21条规定：门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。其中，端板竖放适用于局部等截面柱的情况。当节点弯矩很大时，可采用端板斜放的形式，这样可以加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。而当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时还可以利用柱的压力对节点受力的有利作用。

2.3 斜梁与混凝土柱的连接

在厂房的设计中，有时会为了节省钢材降低造价，而采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成的门式刚架，但此时一定要注意梁柱只能铰接。这是因为混凝土是一种脆性材料，它在连接部位的抗拉、抗冲切的性能很弱，在外力作用下也很容易松动和破坏，所以不能做成刚接。

3 关于围护结构的设计

3.1屋面檩条和墙梁的设计

a.屋面檩条

檩条宜优先采用实腹式构件，也可采用空腹式构件。一般常采用实腹式檩条，而实腹式檩条宜采用卷边槽形和斜卷边Z形冷弯薄壁型

钢，也可采用直卷边的Z形冷弯薄壁型钢。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第4.3.3条规定：屋面檩条的布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条供货规格等因素的影响。屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。按构造一般应等间距布置，且间距不应大于1.5m。计算檩条时，不应考虑隅撑作为檩条的支撑点。

b.侧墙墙梁

轻型墙体结构的墙梁宜采用卷边槽形或斜卷边Z形的冷弯薄壁型钢。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）第4.4.1条、第4.4.2条规定：门式刚架轻型房屋钢结构侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，当采用压型钢板作为围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距随墙板板型和规格确定，且不应大于计算要求的值。按构造一般应等间距布置，且间距不应大于1.5m。

3.2 拉条和撑杆的设置

是否设置檩条的拉条，主要取决于檩条的侧向刚度。对于H型钢和空间桁架式檩条，由于其侧向刚度较大，一般可以不设置拉条。而对于实腹式和平面桁架式檩条，由于其侧向刚度较小，一般需要在檩条间设置拉条作为其侧向支撑点，保证其整体稳定性。当檩条的跨度大于4m时，宜在檩条间跨中位置设置拉条或撑杆。当檩条的跨度大于6m时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑杆。在檐口处还应设置斜拉条和撑杆。撑杆位置应同时设置斜拉条。

4 关于屋面支撑和柱间支撑的设置

4.1屋面支撑

屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间。当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

4.2柱间支撑

柱间支撑的间距应根据房屋纵向逐句、受力情况和安装条件确定。当无吊车时宜取30~40m；当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m。当建筑物

宽度大于60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。而当房屋高度相对于柱间距较大时，逐渐支撑宜分层设置。在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，屋盖横向支撑之间应设置刚性系杆，以构成几何不变体系。

5 关于隅撑的设置

在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处，应各设置一道隅撑。需注意的是，对于门式刚架的边柱，隅撑的作用只适用于无吊车的情况下，对于有吊车的情况，平面外计算长度还应通过柱间支撑，刚性系杆的合理布置来确定。

在门式刚架钢结构的设计中，应合理的选择截面形式和尺寸，有效的节省钢材用量。真正做到安全适用、经济合理。

参考文献：

[1]. 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）

[2]. 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

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