浅谈单层门式刚架设计中应注意的几个问题(论文)

浅谈单层门式刚架设计中的几个问题申桂兰（北京中捷通钢结构彩板工程有限公司北京101116）摘要：本文根据有关门式刚架的设计资料，并结合自己几年来的设计、制作加工经验，简单介绍了单层门式刚架设计中应注意的几个问题，希望对钢结构加工企业的设计、制作加工起到一定的指导作用。

关键词：门式刚架钢结构设计一、概论单层门式钢架属于轻型钢结构范畴，在我国的应用大约始于20世纪80年代初期，由于它具有自重轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便等优点而在近十多年来得到迅速的发展，是目前单层房屋钢结构建筑中常使用的结构型式之一。

单层轻型门式刚架主要以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为承重骨架。

在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形等截面或变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接。

二、单层门式刚架设计中应注意的几个问题（一）合理选择跨度与柱距不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，许多业主要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度。

因此，设计人员应在尽可能满足生产工艺和使用功能的基础上，根据房屋的高度确定合理的跨度。

一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但空间利用率高，基础造价低，综合效益较为可观。

通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致，跨度在18-30m之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为18-28kg/ m2，当跨度在21-48m 之间的刚架单位用钢量为25-40kg/ m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。

刚架的间距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，当刚架跨度较小时，选用较大的间距，会增加檩条的用钢量是不经济的。

刚架规范规定，刚架柱距宜为6m，7.5m，9m，最大可采用12m。

经过大量计算发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。

因此，在一定条件下，门式刚架存在着一最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：综上所述，一般情况下，门式刚架的间距应在6—9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。

（二）单层门式刚架设计中荷载的确定作用在刚架上的荷载有永久荷载和可变荷载，刚架设计时还要同时考虑荷载组合。

2.1永久荷载（恒载）包括结构构件的自重和悬挂在结构构件上的重力荷载，如屋面檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。

2.2可变荷载包括屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。

其中对于屋面活荷载的设计取值应特别注意，我国现行门式刚架的主要设计依据为《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002），对于门式刚架屋面均布活荷载按照不上人屋面考虑，规定活荷载标准值为0.5KN/㎡，但对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60㎡时，可乘折减系数0.6，门式刚架符合此条件，屋面均面活荷载标准值可取为0.3KN/㎡，国外这类房屋设计时，要考虑0.15~0.5KN/㎡的附加荷载，我国无此规定，因此，在设计过程中对于屋面活荷载的取值应慎重。

2.3荷载组合荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2002的规定，针对门刚钢架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002给出下列组合原则：A、屋面均面活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。

B、积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。

C、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。

D、多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2002）的规定。

E、当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。

（三）柱脚的设计3.1、柱脚的结构形式轻型门式刚架一般采用外露式柱脚，柱脚锚固连接节点按其受力特点的不同，分为刚接连接柱脚节点和铰接连接柱脚节点两种类型，设计计算中所假定的计算图形见附图一。

3.2柱脚节点的选用原则铰接连接的柱脚不承受弯矩，只承受轴向压力和剪力，剪力通常由底板与基础表面的摩擦力传递，当此摩擦力不足以承受水平剪力时，应在柱脚底板下设置抗剪键。

抗剪键可用方钢、短T形钢或H型钢制成。

柱脚为铰接的刚架，其柱顶的横向水平变位较大，材料用量较大，但柱脚与基础连接处没有弯矩，受力情况好，柱脚构造简单，所需基础尺寸较小，在一般情况下，当荷载及厂房跨度均较小、没有吊车荷载且对横向水平变位控制不严时，亦采用此种柱脚型式。

刚性柱脚是承受轴力弯矩和剪力的柱脚，在设计计算中是按将柱脚刚接在基础中、柱端无转角和位移的支撑点来考虑。

其柱顶的横向水平变位较小，可以节约材料，但由于柱脚与基础连接处需要承受较大的弯矩，柱脚构造较为复杂，所需基础较大，故一般只在工业厂房跨度或荷较大，或是设有吊车的情况下才采用。

3.3柱脚节点的构造铰接连接的柱脚一般采用平板式柱脚，构造要点是柱底板不应过大，应与柱脚截面相匹配，柱脚锚栓应布置在柱轴线附近，并尽可能不采用扩大式柱脚，以免增大柱脚底板刚度，常用的柱脚型式见附图二。

门式刚架中经常采用的刚接柱脚，有锚栓锚固于底板上和锚固工靴梁上两种型式。

详见附图三。

从柱脚的固接刚度来讲，靴梁式连接较好，靴梁焊于柱的两侧，在靴梁之间用隔板加强，可以减小底板的弯矩，但靴梁的安装和制造不如平板式柱脚经济，所以在实际使用时应适当选用合适的型式。

（四）单层门式刚架设计4.1单层门式刚架结构型式门式刚架结构是梁、柱单元构件的组合体，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脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

屋面坡度宜取1/20~1/8。

单脊双坡多跨刚架，当用于无桥式吊车的房屋且刚架柱不是特别高，同时风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。

门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。

4.2门式刚架的设计方法门式刚架的设计方法可分弹性设计方法和塑性设计方法两种，对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。

变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。

比如，现行的门式刚架设计多采用“中国建筑科学研究院”研发的PKPM系列软件。

4.3构件设计要点构件是门式刚架的主要受力单元，因构件设计的优劣直接影响着结构的安全和使用功能，因此在构件设计过程中应慎重选择构件的材质及结构形式：（1）材质的选择单层门式刚结构构件比较常用的材料是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn)，通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。

当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定控制时，宜使用Q235。

（2）预估截面构件设计主要是梁、柱断面形状与尺寸的选定。

钢梁可选择轧制或焊接H型钢截面。

根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。

翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。

确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估. 通常50<λ<150,简单选择值在100附近。

根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等，需要特别注意的是对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同，如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。

除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，设计者应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。

构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。

软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如PKPMK中的截面优化设计功能。

它减少了设计者的很多工作量。

但是，当预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

(1) 强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

(2) 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。

（3）构件的计算长度a)刚架平面内的计算长H0按下式计算：H0=μH式中H—刚架柱的高度，自基础顶面到柱与横梁轴线交点的距离；μ—刚架柱的计算长度系数，按下表采用。

等截面刚架柱的计算长度系数μ表1注：当横梁与柱铰接时，μ取K2/K1=0栏内的数值。

变截面刚架柱的长度系数μ表2注：K1=I1/H；K2=I2/l；I1、、I0系柱顶和柱脚处的截面惯性矩；I2系横梁的截面惯性矩；H系刚架柱高度；L系横梁的长度，在Ⅱ形刚架中为刚架跨度L，在坡顶门式刚架中为横梁沿折线的总长度。

在应用表1时，应对柱与基础连接的实际情况进行具体的分析，对于铰接连接，实际上很难做到理想铰接，而是与基础柔性连接，对柱有一定约束作用；对于刚接连接，实际上也很难做到完全刚接，或多或少地要降低一些它对柱的约束作用。

因此按表1得出的μ值，对前者应予以适当减小，后者应予以增大；调整的幅度可根据铰按、钢接连接的实际构造情况确定，一般取10%左右。

b)门式刚架柱和横梁平面外的计算长度，应取侧向支承点的间的距离。

对于边柱和屋面梁，有墙梁和檩条并设置隅撑的情况下，隅撑能起到边柱和屋面梁的平面外支撑作用，则边柱和屋面梁的平面外计算长度可以取设置隅撑的间，中间柱平面外计算长度取柱间支撑支撑点间距（即柱高度）。

（4）风荷载的计算风荷载的计算是根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002规定的风荷载体型系数进行的，但若采用这些系数，必须符合以下四个条件：a)屋面平均高度不大于18米；b)檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸；以上两点是低矮房屋的定义所要求的，风洞实验均在此条件下进行。