轻型门式钢架设计实例
36米跨度轻型门式钢架结构设计
36米跨度轻型门式钢架结构设计前言我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期：1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构；自1990 年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。
门式钢刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中；钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用；薄壁彩钢板已大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中；钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中；冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。
现代钢结构体系由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。
人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。
但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。
例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。
这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。
事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。
所以，从结构工作机理和设计计算原理的角度出发，轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。
门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。
早期典型的门式钢刚架是1910 年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构；1932 年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构[1]。
现代轻型门式钢刚架体系是由国外钢结构专业公司引入我国的，它包括主结构系统（刚架、支撑、抗风柱等）、次结构系统（屋面和墙面檩条等）、辅助结构体系（挑檐、雨蓬、女儿墙、楼梯、吊车梁等）、围护板材体系、柱脚和基础等。
近年来钢结构建筑在我国出现了非常快的发展势头，应用范围不断扩大，目前，我国钢结构建筑的发展处在建国以来最好的一个时期。
32t吊车门式刚架轻钢厂房的结构设计
32t吊车门式刚架轻钢厂房的结构设计导言本文重点介绍了某管桩有限公司带32t吊车门式刚架轻钢厂房的刚架和吊车梁的设计，屋面和柱间支撑的设计，檩条及和墙梁的设计。
同时对本工程设计中几个主要问题的处理，也进行了较详细的讨论和介绍，可供同类工程设计时参考。
工程概况某管桩公司生产车间位于河北，厂房长度为6×23=138m，宽度为24+21=45m，屋面坡度为8%，双屋脊，建筑面积为6400㎡，其中：24m跨有32/5t桥式吊车一台，20t/5t桥式吊车二台，21m跨有10t桥式吊车一台，5t单梁桥式吊车一台（以上吊车工作级别均为A5），牛腿标高6.900，柱顶标高11.500，屋面为角驰Ⅱ暗扣式单层压型钢板+75厚吸音保温棉+不锈钢丝网，墙面为单层压型钢板。
本工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，屋面活荷载对于刚架构件，其受荷水平投影面积大于60㎡，取为0.3kN/㎡，雪荷载为0.45kN/㎡，故取较大值为0.45kN/㎡；屋面活荷载对于檁条，屋面板等局部构件取值则为0.5kN/㎡；基本风压为0.45kN/㎡，地面粗糙度类别为B类；抗震设防烈度为6度。
刚架构件材质采用Q345B；吊车梁因其工作较频繁，需要进行疲劳验算，而最低日平均温度为-6℃，要求所选钢材应具有0℃冲击韧性的合格保证，故吊车梁材质采用Q345C，其它檩条，墙梁，支撑材质采用Q235B。
计算软件采用PKPM的STS软件。
刚架和吊车梁的设计考虑制作安装简便，刚架柱，梁均采用实腹式焊接H型钢，门式刚架用STS 软件进行分析计算时，对屋面活荷载考虑其各跨的不利布置，对吊车的竖向及水平荷载，当参于组合的吊车台数为2台时，对其进行折减，折减系数取为0.9。
由于桥式吊车起重量为32t，已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（下称轻钢规范）的适用范围，故刚架柱采用《钢结构设计规范》（下称钢结构规范）验算，由于吊车梁可作为柱子的侧向支承点，故下柱平面外计算长度取为7.5m 即基础面至牛腿面的长度，上柱平面外计算长度取为4.6，即牛腿面至柱顶的长度；而对于屋面变截面梁，由于钢结构规范只能用等效截面来验算，会存在一定误差，所以屋面变截面梁的强度和稳定仍按轻钢规范来验算，其平面外计算长度取为两屋面隅撑之间的距离，对于屋面变截面梁的挠度则按钢结构规范从严控制。
轻型门式刚架结构设计
民用建筑
在民用建筑领域，轻型门 式刚架结构可用于商场、 超市、仓库等建筑物的建 设。
轻型门式刚架结构的发展历程
起源
轻型门式刚架结构起源于20世纪初，随着工业和经济的发展，逐渐 得到广泛应用。
发展历程
随着科技的进步和工程实践的积累，轻型门式刚架结构在材料、设 计、施工等方面不断优化，逐步形成了完善的标准和规范。
根据设计图纸，完成门式刚架的基础施工，包括桩基、基础垫层、 钢筋混凝土浇筑等。
钢构件加工
按照设计图纸要求，对钢构件进行加工制作，确保尺寸、形状、焊 接质量等符合规范要求。
钢构件安装
将加工好的钢构件运输到施工现场，进行安装，确保安装位置准确、 稳固。
施工流程与要点
连接节点处理
根据设计图纸，对钢构件之间的 连接节点进行处理，确保节点连 接牢固、安全可靠。
未来趋势
未来，随着环保和节能要求的提高，轻型门式刚架结构将继续向着高 效、环保、可持续发展的方向发展。
02 轻型门式刚架结构设计原 理
结构设计的基本原则
安全性
确保结构在正常施工和使用过程 中能够承受各种可能的作用力， 不发生破坏、失稳或过大变形。
经济性
在满足安全性和使用功能的前 提下，尽可能降低结构造价， 提高经济性。
适用性
确保结构在使用过程中具有良 好的工作性能，满足正常使用 要求。
耐久性
考虑结构的使用寿命，确保结 构在使用期限内具有良好的耐
久性能。
结构分析方法
有限元分析
利用有限元方法对结构进 行离散化，通过计算和分 析离散化的模型来预测结 构的性能和响应。
线性分析
基于线性理论对结构进行 静力、动力和稳定性分析， 以确定结构的承载能力和 稳定性。
轻型门式刚架结构设计
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三、支撑体系布置
1．柱间支撑 （1）无吊车时柱间支撑的间距宜取30～45m；当有吊车时宜 设设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处， 且间距不宜大于60m； （2）当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑； （3）支撑与构件的夹角应在30°～60°范围内，宜接近45°； （4）柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥 式吊车起重量大于5ｔ时，宜采用型钢支撑； （5）柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载（如风、 吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算；
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3.稳定计算
（1）当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩 条的整体稳定性。
（2）当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可按下式 计算檩条的稳定性
Mx My f bxWex Wey
Wex、Wey—— 对主轴x、y的毛截面模量；
bx—— 受弯构件绕强轴的整体稳定性；
f —— 钢材的强度设计值。
（二）计算
（a）C型截面 （b）Z型截面 檩条计算示意图
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1.内力分析 垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算：
px psin 0
py p cos0
式中 p—— 檩条竖向荷载设计值；
0 ——p与主轴y的夹角：对C形、槽形和工字型截面 0=，为屋面坡角； 对Z形截面 0 ，
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（三）连接 （1）檩条可设计为单跨简支构件或连续构件； （2）简支檩条和连续檩条一般通过搭接方式不同实现。 连续C形檩条可通过采用稍大一点足够长的C形槽钢套在屋面 檩条外后用螺栓锁紧实现，直卷边或带斜卷边的Z形连续檩条 可采用叠置搭接来实现。
门式刚架计算原理和设计实例之五
门式刚架计算原理和设计实例之五第五章辅助结构系统轻型钢结构的辅助结构系统包括挑檐、⾬篷、吊车梁、⽜腿、楼梯、栏杆、检修平台和⼥⼉墙等，它们构成了轻型钢结构完整的建筑和结构功能。
第⼀节⾬篷和挑檐⼀、⾬篷钢结构⾬篷同钢筋混凝⼟结构⾬篷⼀样，按排⽔⽅式可分为有组织排⽔和⾃由落⽔两种。
钢结构⾬篷的主要受⼒构件为⾬篷梁，其常⽤的截⾯形式有轧制普通⼯字钢、槽钢、H型钢、焊接⼯字形截⾯等，当⾬篷的造型为复杂的曲线时亦可选⽤矩形管或箱形截⾯等。
在轻型门式刚架结构中，⾬篷宽度通常取柱距，即每柱上挑出⼀根⾬篷梁，⾬篷梁间通过C型钢连接形成平⾯。
挑出长度通常为1.5m 或更⼤，视建筑要求⽽定。
⾬篷梁可做成等截⾯或变截⾯，截⾯⾼度应按承载能⼒计算确定。
通常情况下⾬篷梁挑出的长度较⼩，按构造做法，其截⾯做成与其相连的C型钢截⾯同⾼：当柱距为6m时，连接⾬篷梁的C型钢为16＃，⾬篷梁亦取16＃槽钢；当柱距为9m时，连接⾬篷梁的C型钢为24＃，⾬篷梁取25＃槽钢；有组织排⽔的⾬篷可将天沟设置在⾬篷的根部或将天沟悬挂在⾬篷的端部，⾬篷四周设置凸沿，以便能有组织的将⾬⽔排⼊天沟内。
图5-1～5-3为⼏种常见⾬篷的做法。
（a）(b)图5-1 ⾃由落⽔⾬篷(a)(b)(c)图5-2 有组织排⽔⾬篷（a）A-A （b）B-B（c）C-C图5-3 ⾬篷节点详图⼆、挑檐在轻型门式刚架⼚房结构中，通常将天沟（彩钢或不锈钢）放置在挑檐上，形成外天沟。
挑檐挑出构件的间距取柱距，即挑出构件作为主刚架的⼀部分，挑出构件之间由C型钢檩条连接，。
图5-4所⽰为典型的挑檐构造。
图5-4 典型的挑檐构造挑檐柱承受C型钢墙梁传递轻质墙体的竖向荷载和风荷载，挑檐梁主要承受考虑天沟积⽔满布荷载或积雪荷载。
挑檐各构件（挑檐柱、挑檐梁）截⾯通常采⽤轧制⼯字钢或⾼频H型钢，截⾯⼤⼩由承载⼒计算确定。
挑檐计算简图如图5-5所⽰，将挑檐柱和挑檐梁⽰作⼀个整体，端部与刚架柱固接，即作为悬臂构件计算。
门式刚架计算原理和设计实例之二
第二章轻型门式钢刚架设计的差不多理论第一节结构布置和材料选用一、结构组成轻型门式钢刚架的结构体系包括以下组成部分：（1）主结构：横向刚架（包括中部和端部刚架）、楼面梁、托梁、支撑体系等；（2）次结构：屋面檩条和墙面檩条等；（3）围护结构：屋面板和墙板；（4）辅助结构：楼梯、平台、扶栏等；（5）基础。
图2-1给出了轻型门式钢刚架组成的图示讲明。
图2-1 轻型钢结构的组成平面门式刚架和支撑体系再加上托梁、楼面梁等组成了轻型钢结构的要紧受力骨架，即主结构体系。
屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。
屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用，由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。
外部荷载直接作用在围护结构上。
其中，竖向和横向荷载通过次结构传递到主结构的横向门式刚架上，依靠门式刚架的自身刚度抵抗外部作用。
纵向风荷载通过屋面和墙面支撑传递到基础上。
二、结构布置轻型门式钢刚架的跨度和柱距要紧依照工艺和建筑要求确定。
结构布置要考虑的要紧问题是温度区间的确定和支撑体系的布置。
考虑到温度效应，轻型钢结构建筑的纵向温度区段长度不应大于300m，横向温度区段不应大于150m。
当建筑尺寸超过时，应设置温度伸缩缝。
温度伸缩缝可通过设置双柱，或设置次结构及檩条的可调节构造来实现。
支撑布置的目的是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。
布置的要紧原则如下：（1）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内形成抵抗纵向荷载的支撑桁架。
支撑桁架的直杆和单斜杆应采纳刚性系杆，交叉斜杆可采纳柔性构件。
刚性系杆是指圆管、H型截面、Z或C型冷弯薄壁截面等，柔性构件是指圆钢、拉索等只受拉截面。
柔性拉杆必须施加预紧力以抵消其自重作用引起的下垂；（2）支撑的间距一般为30m-40m，不应大于60m；（3）支撑可布置在温度区间的第一个或第二个开间，当布置在第二个开间时，第一开间的相应位置应设置刚性系杆；（4） 45的支撑斜杆能最有效地传递水平荷载，当柱子较高导致单层支撑构件角度过大时应考虑设置双层柱间支撑；（5）刚架柱顶、屋脊等转折处应设置刚性系杆。
单层门式刚架厂房设计图（含钢量低至30kg）
(完整版)轻型门式刚架结构
刚接柱脚工程实例
加劲板 地脚螺栓
等截面刚 架柱
变截面 刚架梁
1.2 结构形式和结构布置
1.2.1 门式刚架的各种结构形式 门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分
为单跨、双跨和多跨。按屋面坡脊数可分为单坡、双坡、 多坡屋面。
结构形式的选取考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸 等因素
单跨单坡 摇摆柱 多跨（中间摇摆柱）
4.构件的抗弯刚度、抗扭刚 度比较小，结构的整体刚 度也比较柔。
1.1.3 门式刚架结构的应用情况
1.我国门式刚架设计规程：《门式刚架轻型房屋钢结构技术规 程》(CECS102:2002) 2.应用范围：轻型厂房、物流中心、大型超市、体育馆、展览 厅、活动房屋、加层建筑等。 3.应用规模：国内每年有一千万平方米的轻钢结构 建筑物竣 工。
4.轻型门式刚架的适用范围及截面形式： (1).屋面荷载较小，横向跨度为9～24m，柱高为4.5～9m， (2).没有吊车或设有中、轻级工作制吊车的厂房。 (3).当厂房横向跨度不超过15m，柱高不超过6m时，屋面刚架
梁宜采用等截面刚架形式。当厂房横向跨度大于15m，柱高 超过6m时，宜采用变截面刚架形式。
工程实例一：
青岛南车集团，2004年4月投资新建了一座轻钢结构生产 车间，建筑面积5000平方米。于2004年7月竣工。主体结构采 用轻型单跨门式刚架形式，吊车最大起重量为20吨，中级工作 制。
为使立面效果简洁美观，屋面采用有组织内排水形式。外 墙面和屋面板均采用双层压型钢板，两层压型钢板之间放置了 耐火性能较好的岩棉保温隔热层。
吊车梁
天窗架
山墙抗风柱
正在建设的门式刚架工程实例
轻钢结构工业厂房
工程实例二： 青岛永源体育用品有限公司加工车间，是由韩国投资建设
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M 21 270kN.m< M eN 327.9 kN.m，故 2 节点截面强度满足要求。
② 稳定验算 （a）刚架柱平面内的整体稳定性验算 根据技术规程第 6.1.3 条可求出楔形柱的计算长度系数。 柱小头 惯性矩 I c0 6575104 mm4，大头惯性矩 I c1 24664104 mm4；梁最小截面惯 性矩 I b0 13959104 mm4。 柱的线刚度 K1 I cl h 24664104 7000 35234mm3
所以有效宽度系数 1 ，即此时 2 号节点端截面全部有效。
V21 39.6 0.5Vd 0.5 (450 2 10) 8 180103 309.6 M eN M e NWe Ae ( f N Ae )We
(310 80.4 103 7440 ) 24664104 225 327.9 106 N.mm
K 2 K1 10522 35234 0.298， I c0 I c1 0.267
3
由规程表 6.1.3 查得 r 1.254。
x
L0 x I c 0 x Ac 0 1.254 6700 657510 5840
4
79 ，
2 EAe0 3.142 2.06105 5840 N ' Ex0 17.27 105 N。 2 2 1.1 1.1 79
y
L0 y I c 0 y Ac 0 3000 1334 10 5840
4
63
长 0.714， 235
柱楔率为
d1 450 1 1 0.8 ， d0 250
t 1 N N 'Ex0 0.75( N N 'Ex0 )2
所以 f v' f v ， 柱的抗剪承载力设计值为 Vd hwtw f v ； w 0.762 0.8 ，
梁腹板高度变化率 （500-350）/8=18.75（mm/m）<60mm/m 故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。 腹板不设加劲肋， k 5.34 ，
w
hw / t w 37 k 235/ f y 60 ， 0.8 w 0.850 1.4 37 5.34 235 345
所以有效宽度系数 1 ，即此时 1 号节点端截面全部有效，
1 N A f 310N/mm
2
V12 39.6 Vd hwt w f v (250 2 10) 8 125103 230kN
1 号节点端截面强度满足要求。
2 号节点端：
1 N A M We 80.4 103 / 7440 270106 225 24664104 217.9 （N/mm ）
1
d1 d 500 500 1 1 0.428， 2 2 1 1 0.428 ， 0.3 ，从规 d0 350 d0 350
程附录 D 图 D.0.1-2 插值得斜梁换算长度系数 0.55 。
梁的线刚度
K 2 I b0 (2 s ) 13959 104（2 0.5512060 ） 10522 mm 。
（5）荷载组合和内力组合（不考虑抗震情况）
（四）控制指标
1. 柱顶水平位移：H / 60
2. 横梁挠度： 无吊顶 L / 180 有吊顶 L / 240 （五）构件及连接节点设计 1. 柱脚设计
2. 梁、柱连接节点设计
3. 屋面梁拼接节点设计
二、计算模型
节点及单元编号图
设计中应注意的问题
• • • • • • 刚架拼接点的设置（受运输长度限制） 拼接处截面（两侧截面高度相等） 梁柱截面宽度（柱宽度>梁宽度） 梁柱翼缘与腹板厚度 檩条截面形式（C型和Z型） 屋面水平撑 刚性：角钢；柔性：圆钢 • 刚性系杆（钢管）
1 96.6 103 17.27105 0.75(96.6 103 17.27105 ) 2 0.946
s 1 0.023 lh0 A f 1 0.023 0.8 3000 250（200 10） 1.356
w 1 0.00385 l i y 0 1 0.00385 0.8 3000 47.8 1.024
2
2 N A M We 80.4 103 / 7440 270106 225 24664104 196.3 （N/mm ）
2
截面边缘正应力比值 2 1 196.3 217.9 0.9 ，
K 16 (1 ) 0.112(1 ) (1 )
三、荷载工况
（a） 恒载
qD=0.25x6=1.5
（b） 活载
qL=0.5x6=3
（c） 左风
wk=sz zw0
（d） 右风
四、各工况内力
（a）弯矩
（b）剪力
（c）轴力 恒载作用下刚架内力图
（a）弯矩
（b）剪力
（c）轴力 活载作用下刚架内力图
（a）弯矩
（b）剪力
（c）轴力 左风作用下刚架内力图
96.6 103 1.0 270106 225 283.0 310 96 . 6 0 . 581 5840 4 1 0 . 581 24664 10 W e1 1727
（b）刚架柱平面外的整体稳定性验算 考虑压型钢板墙面与墙梁紧密连接，起到应力蒙皮作用，与柱相 连的墙梁可作为柱平面外的支撑点， 计算时按常规墙梁隅撑间距考虑， 取 l y 3000mm。 楔形柱平面外稳定验算：
计算模型及风载体型系数
（三）荷载组合
① 1.2恒载+1.4活载； ② 1.2恒载+1.4风载； ③ 1.2恒载+1.4活载+1.4×0.6风载； ④ 1.2恒载+1.4×0.7活载+1.4风载；
（四）设计要求
1.确定屋面结构布置（包括支撑体系布置）
2.计算门式刚架内力和变形 （1）确定梁、柱截面形式，并初步估截面尺寸 （2）梁、柱线刚度计算及梁、柱计算长度确定 （3）荷载计算 （4）计算各工况下的内力、柱顶水平位移及横梁挠 度
y 0 s l i y 0 1.356 3000 47.8 85
by
4320 A0 h0 2 y 0 Wx 0
(
t s 2 235 ) ( y0 0 )2 ( ) w 4.4h0 fy
4 3.12 0.6320 5840 250 1.356 2 8510 2 235 ( ) ( ) ( ) 3.12 0.6 2 292222 1.024 4.4 250 345 85
腹板高厚比
500 2 10 60 250 235 f y 206 ，满足规程限值要求。 8
柱腹板高度变化率 （450-250）/8=25（mm/m）<60mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲 后强度。 柱腹板不设加劲肋， k 5.34 ，
w
hw / t w 37 k 235/ f y 53.75 ， 37 5.34 235 345
五、组合内力
选取荷载组合①1.2恒载+1.4活载对构件内力值进行验算。
轴线 单元号 长度 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 6700 8442 3618 3618 8442 6700 （mm） H250～450x200x8x10 H350～500x200x8x10 H350～500x200x8x10 H350～500x200x8x10 H350～500x200x8x10 H250～450x200x8x10 截面规格 节点 面积 绕2轴 惯性矩 绕3轴 惯性矩 弯矩 剪力 轴力 编号 （mm2） 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 5840 7440 7840 6640 6640 7840 7840 6640 6640 7840 7440 5840 （kN.m） （kN） （kN） 0 -270.0 131.3 131.3 163.1 163.1 131.3 131.3 -270.0 0 39.6 -96.6 39.6 -80.4 -19.5 -43.0 -19.5 -43.0 3.16 -40.6 -3.16 -40.6 19.5 -43.0 19.5 -43.0 75.6 -48.7 -39.6 -96.6
（x104mm4） （x104mm4） 1334 1335 1335 1335 1335 1335 1335 1335 1335 1335 1335 1334 6575 24664 31386 13959 13959 31386 31386 13959 13959 31386 24664 6575
-270.0 -75.6 -48.7
2 2
2
21.5 （ 1 0.9） 0.112 （ 1 0.9） （ 1 0.9）
2 2
16
R 1 1.1 217.9 239.7 N/mm ，则
p
hw t w 28.1 K 235 f y
53.75 0.417 0.8 28.1 21.5 235 239.7
-270.0 -39.6 -80.4
六、构件截面验算
（一）宽厚比验算 按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（以下 简称技术规程）第 6.1.1 条规定验算。 翼缘板自由外伸宽厚比
（200 8） /2 9.6 15 235 f y 12.4 ，满足规程限值要求。 10
所用钢材为 Q345，故查《钢结构设计规范》GB50017-2003 附 录 表 C-2 时，长细比换算为 79
345 96 ，查表得 x 0.581。 235
楔形柱平面内稳定验算：
N0 mx M 1 x Ae 0 N0 1 N ' x Ex0