第三章 门式刚架结构设计
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。
门式刚架结构的设计与优化
门式刚架结构的设计与优化摘要：门式刚架结构是一种广泛应用于工业和商业建筑的重要结构形式。
本文旨在探讨门式刚架结构的设计与优化方法，以提高其结构性能和经济性。
首先，介绍了门式刚架结构的基本原理和常见应用领域。
然后，讨论了门式刚架结构设计中需要考虑的关键因素，包括荷载条件、结构材料、连接方式等。
接下来，介绍了现有的门式刚架结构设计方法，包括经验设计和基于计算机模拟的优化设计。
最后，总结了门式刚架结构设计与优化的挑战，并提出了未来的研究方向。
关键词：门式刚架结构、设计、优化、结构性能、经济性一、引言门式刚架结构作为一种常见的建筑结构形式，广泛应用于工业和商业建筑领域。
它具有结构强度高、刚度好、施工方便等优点，因此备受青睐。
然而，在门式刚架结构的设计过程中，需要考虑多种因素，如荷载条件、结构材料、连接方式等，以确保结构的安全性和经济性。
同时，设计人员也面临着如何优化门式刚架结构的挑战，以提高其结构性能和减少成本。
因此，对门式刚架结构的设计与优化方法进行研究具有重要意义。
本文将探讨门式刚架结构设计与优化的基本原理和方法，以期为相关领域的研究和实践提供参考。
二、门式刚架结构的基本原理和应用领域2.1 门式刚架结构的定义与特点门式刚架结构是一种以钢材构成的框架结构，其特点包括以下几个方面。
首先，它是由水平和垂直的钢梁和柱组成的框架结构，具有稳定性和强度。
其次，门式刚架结构的构件相对简单，易于制造和安装。
此外，钢材具有高强度和刚性，使得门式刚架结构能够承受较大的荷载。
此外，门式刚架结构还具备大跨度的特点，可以创造出宽敞的空间。
2.2 门式刚架结构的常见应用领域门式刚架结构在多个领域得到广泛应用，以下是常见的应用领域。
首先，工业建筑是门式刚架结构的主要应用领域之一，如厂房、仓库、物流中心等，为工业生产和储存提供了宽敞的空间。
其次，商业建筑如购物中心、超市、展览馆等也常采用门式刚架结构，以满足大空间展示和经营的需求。
门式刚架设计指南03主结构及其支撑体系
第三章主结构及其支撑体系第一节主刚架的设计和构造一、刚架的构件和节点形式主刚架由边柱、刚架梁、中柱等构件组成。
边柱和梁通常根据门式刚架弯矩包络图的形状制作成变截面以达到节约材料的目的；根据门式刚架横向平面承载、纵向支撑提供平面外稳定的特点，要求边柱和梁在横向平面内具有较大的刚度，一般采用焊接工字型截面。
中柱以承受轴压力为主，通常采用强弱轴惯性矩相差不大的宽翼缘工字钢、矩形钢管或圆管截面。
刚架的主要构件运输到现场后通过高强度螺栓节点相连。
典型的主刚架如图3-1所示，典型的主刚架节点连接形式如图3-2所示。
图3-1 主刚架包络图及基本形式图3-2 主刚架典型连接节点二、构件截面的强度设计主刚架工字型截面（见图3-3）中翼缘属于三边支承一边自由板件，一旦发生屈曲局部失稳，其屈曲后的后继强度不明显；腹板属于四边支承板件，局部失稳后的后继强度提高较多。
设计时，一般不允许翼缘发生局部失稳，容许腹板局部失稳并利用其屈曲后强度。
图3-3 翼缘与腹板的典型支承条件根据局部稳定计算的等强原则，当翼缘宽厚比yf t b 23515≤时，翼缘不会发生局部失稳。
设计时允许腹板局部失稳，但考虑到刚度及制作等要求，腹板高厚比应作一定要求，目前我国现行《钢结构设计规范GBJ17-88》规定yw f t h 235250≤。
根据薄壁结构理论，腹板在yw f t h 235250≤时会发生屈曲而局部退出工作，因此确定腹板有效面积的抗剪和抗弯承载力成为确定工字型构件截面的强度承载力的关键。
1、 腹板抗剪承载力u Vu V 取决于腹板两侧翼缘及横向加紧肋之间形成的四面支承矩形区域的剪切屈曲应力τcr ，见图3-4所示，τcr 可以由腹板的剪切屈曲模型得到[20]。
构件腹板的主应力场分布见图3-5，在这个模型中横向加紧肋相当于桁架中的受压腹杆，适当增加横向加劲肋的数量可以改变腹板应力场的分布情况，提高区隔的临界应力τcr 从而提高腹板的抗剪承载力u V 。
门式刚架设计课件
门式刚架设计课件第一章：引言1.1 课程介绍本课程主要介绍门式刚架的设计原理、结构特点、计算方法以及实际应用。
通过学习本课程，学生将掌握门式刚架设计的关键知识和技能，为将来从事相关工程设计、施工和研究打下良好的基础。
1.2 课程目标通过本课程的学习，学生应能够：- 理解门式刚架的基本概念和分类；- 掌握门式刚架的结构特点；- 能够进行门式刚架的强度、稳定性和刚度分析；- 熟悉门式刚架的设计规范和标准；- 能够运用理论知识解决实际工程中的门式刚架设计问题。
第二章：门式刚架的基本概念2.1 门式刚架的定义门式刚架是一种常用于工业厂房、仓库、体育馆等建筑结构中的框架结构，其由立柱、横梁和斜撑组成。
门式刚架能够有效地承受垂直荷载和水平荷载，并具有较好的整体刚度和抗震性能。
2.2 门式刚架的分类门式刚架可以根据其横截面形状和结构形式进行分类，常见的分类包括热轧H型钢门式刚架、工字型钢门式刚架、箱形钢门式刚架等。
第三章：门式刚架的结构特点3.1 立柱门式刚架的立柱是承受垂直荷载的主要承重构件，通常采用H型钢或工字型钢。
立柱的截面积和截面尺寸将直接影响门式刚架的承载能力和稳定性。
3.2 横梁门式刚架的横梁承受横向荷载，连接立柱并支撑屋面或天棚。
横梁通常采用工字型钢、箱形钢或焊接钢板构成，其刚度和稳定性需满足设计要求。
3.3 斜撑门式刚架的斜撑通过连接立柱和横梁来增加结构的稳定性和抗侧移能力，一般采用角钢或圆钢构成。
第四章：门式刚架的设计原则4.1 强度设计门式刚架的设计应满足承载能力和变形要求，根据受力情况和材料特性合理确定截面尺寸和构件的截面积。
4.2 稳定性设计门式刚架的稳定性设计应满足构件的侧向稳定和整体稳定要求，通过合理设置斜撑和连接件来增强结构稳定性。
4.3 刚度设计门式刚架的刚度设计应满足结构在受力工况下的变形限制，通过合理设计构件截面尺寸和刚度布置来保证结构的刚度。
第五章：门式刚架的设计规范和标准5.1 国家标准门式刚架的设计应符合相关国家标准和规范要求，例如《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）和《建筑结构荷载标准》（GB 50009-2012）等。
门式刚架钢结构设计要点
门式刚架钢结构设计要点摘要：随着我国经济的发展，我国的建设发展越来越快，建筑中采用的结构形式也越来越多。
目前，门式刚架轻钢结构房屋广泛应用于工业和物流建筑。
由于工期短、自重轻、拆装方便、布置灵活，在建筑业得到了广泛应用。
为了进一步推动门式刚架轻型建筑结构在我国建筑行业的应用，有必要结合其结构优势，对其结构设计要点进行深入分析，优化设计工作，提高结构合理性。
在此基础上，本文简要分析了门式刚架轻型房屋钢结构设计要点。
关键词：门式刚架：轻型房屋钢结构：设计要点前言门式刚架钢结构是轻钢结构的一个分支。
迄今为止，设计、制造和建筑标准都有既定的制度和标准。
使用门式刚架建造的建筑物具有重量轻、工作时间短、外形美观、标准化程度高、综合建筑成本低等优点。
近年来，随着经济建设的需要，大量门式刚架钢结构被应用于工程建设。
一、门式刚架结构的形式及特点门式刚架结构是梁柱构件的组合，是一个由柱与直、弧形、线形梁刚性连接的承重框架体系。
有多种形式。
单层建筑和仓库广泛采用单层、单跨、双跨或多跨双坡度门式刚架。
根据通风和照明的需要，可以设置天窗、通风屋顶和采光带。
门式刚架的构件截面尺寸小，可有效利用建筑空间，从而降低房屋高度和建筑体积，且建筑造型简单美观。
其次，平面内外刚度好、刚度小，为制造、运输和安装提供了有利条件。
门式刚架有多种结构形式，包含如下：按构件体系分，有实腹式与格构式；根据截面组成，有等边截面和可变截面。
实腹式刚架截面通常为h形，少数为z形；网格横截面为矩形或三角形；根据结构材料的选择，采用普通钢、薄壁钢、钢管或钢板焊接。
与传统单层建筑相比，门式刚架钢结构具有以下特点:（1）便于拆除，可用于临时建筑，这是其显着特点。
（2）屋面板采用轻型压型钢板屋面。
因为屋顶很轻，支撑它的结构也很轻。
在外墙方面，砖墙有利于保温，降低了成本，但结构侧向位移要求严格，外观不佳，因此大部分仍采用彩钢墙板。
（3）刚架可采用变截面，且截面与弯矩成正比。
第03讲-门式刚架结构设计
同济大学建筑工程系 2015《建筑钢结构设计》
1.4 结构形式
(a)单跨刚架
（b）双跨刚架
（c）多跨刚架
(d)带挑檐架
（e）带毗屋刚架
（f）单坡刚架
同济大学建筑工程系
2015《建筑钢结构设计》
1.5 温度区段
《门刚规范》第4.3.1条 纵向温度区段不大于300m； 横向温度区段不大于150m； 有计算依据时可适当加大； 《普钢规范》第8.1.5条
同济大学建筑工程系
2015《建筑钢结构设计》
2.4 吊车荷载
《荷载规范》第5.1节 （1）竖向荷载；最大轮压Pmax （2）纵向水平刹车力；10%×Pmax （3）横向水平刹车力； 起重量≤10T：12%×(G+Q) 起重量 > 10T：10%×(G+Q) 总横向水平力平均分布到各轮上。 其中G为小车重量；Q为额定起重量。
(2) 柱距：应综合考虑使用要求、刚架跨度、荷载条件等因 素，宜取6m、7.5m、9m。超过10m时，用钢量显著增加， 一般需要设置托架或托梁。 (3) 高度：由使用要求确定，常为4.5~9m；
注意：当有桥式吊车时，高度不宜大于12m。 (4) 挑檐长度：根据使用要 中 正 号 (压 力 )表 示 风 力 由 外 朝 向 表 面 ， 负 号 (吸 力 )表 示 风 力 自 表 面 向 外 离 开 ， 下 同 ；
同济大学建筑工程系 (a)
( b ) 2015《建筑钢结构设计》
2.6 风荷载
比较1：《门刚规程》与《荷载规范》的体型系数比较
《门刚规程》
同济大学建筑工程系
2015《建筑钢结构设计》
2.2 活荷载
《门刚规程》第3.2.2条
(1) 当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载标准 值（按水平投影面积计算）应般取 0.5 kN/m2
门式刚架结构设计
(a) 双坡刚架；(b) 单坡刚架
➢ 荷载效应组合: 应符合以下原则 ⑴ 屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中 的较大值； ⑵ 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； ⑶ 施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外 的其它荷载同时考虑； ⑷ 多台吊车的组合应符合GB50009的规定； ⑸ 风荷载不与地震作用同时考虑。
的面积。
1.3.3.4 变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算
计算公式为：
N0
mx M1
f
x Ae0
(1
N0 N E x0
x
)We1
NEx0
2 EAe0 1.1 2
当柱的最大弯矩不出现在大头时，M1和We1分别取最 大弯矩和该弯矩所在截面的有效截面模量。
与GB50017差异：(1)无x；(2)弯矩放大系数也有所
门式刚架结构设计
1.1 概述
1.1.1 单层门式刚架的组成
✓ 主承重骨架 ✓ 檩条、墙梁 ✓ 屋面、墙面 ✓ 支撑
柱距
1.1 概述
1.1.1 单层门式刚架的组成
1.1 概述
1.1.1 单层门式刚架的组成
1.1 概述
1.1.1 单层门式刚架的组成
1.1.2 单层门式刚架结构的特点
➢ 质量轻
一般10~30kg/m2，基础费用低。地震反应小，注意风吸力
部分封闭式 ＋0.10 －1.80 －1.20 －1.10 ＋1.00 －0.20 －0.15 －1.40 －1.05 －0.95 ＋0.75 －0.05
注：① 表中正号(压力)表示风力由外朝向表面，负号(吸力)表示风力自表面向外离开，下同；
(a)
(b)
图图1.55 刚刚架架的的风 荷风载载体体型 系型数系分数区分区
门式刚架钢结构设计
门式刚架钢结构设计【摘要】：本文总结了钢结构设计中应注意的一些问题，如正确选用钢材质量等级和焊缝质量等级，合理设置隅撑，拉条和独立的空间稳定支撑体系，并对门式刚架应采取下列构造措施做了简单的阐述【关键词】：门式钢架；设计；常见问题；【abstract 】：this paper summarizes the steel structure design should pay attention some questions, such as the correct choice of steel quality level and welding quality level, setting up reasonable yu supports, braces and independent space stable support system, as well as the steel frame structure of the concrete floor structure requirement, etc, and the problems are analyzed and discussed.【key words 】：door type steel; Design; Common problem;引言门式刚架房屋钢结构是近十年来在我国迅速发展起来的一种新型结构体系，被广泛应用于工业厂房、仓库等众多的工业和民用建筑中。
此种结构形式具有许多优点，如：大跨度、大空间能满足业主在空间上的要求；自重轻，地震作用小，抗震性能好；施工速度快、周期短能满足业主工程建设时间紧的要求。
总之门式刚架房屋钢结构这一新型结构形式有许多优点，近些年来在我国取得了广泛的应用。
本人从事的有色金属行业选矿工程结构设计，常常设计超出门式刚架钢结构规程范围的钢结构厂房。
2010年版建筑抗震设计规范的出台，对钢结构厂房设计有了一些要求。
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本章内容
结构形式及布置
檩条设计
刚架设计
围护结构
计算实例
屋檐斜拉条 屋面直拉条 刚架梁 通长刚性系杆 屋脊斜拉条 刚性系杆 通长刚性系杆 屋面檩条 屋面水平支撑
墙面斜拉条
山墙檩条 山墙抗风柱 墙面直拉条 柱间支撑 窗边立柱 门洞立柱 山墙角柱
刚架柱
门式刚架结构示意
圆钢、角钢
钢管、双角钢
杆件必须交于节点的中心
支撑的设计与构造
（2）柱间支撑 ①柱间支撑在建筑物跨度小、高度低的情况下，可用带张 紧装置的圆钢做成交叉型的拉杆。也可采用角钢或槽钢。
②在高大的建筑中柱间支撑的交叉杆除用角钢外，也可采
用钢管。 ③柱间支撑的上端与水平压杆必须与柱中心交于一点；柱 间支撑下端应尽可能与柱中心交于柱脚底面，避免出现偏 心受力。
（a）单跨刚架
（b）双跨刚架
（c）多跨刚架
（d）带挑檐刚架
（e）带毗屋刚架
（f）单坡刚架
3.1结构形式及布置
3.1.2．门式刚架的尺寸 跨度：横向刚架柱轴线间的距离，一般为9~36m；
高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度，根据使用要 求的室内净高确定。无吊车时，高度一般为4.5～9m；有吊车 时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为9～12m。 柱距：宜为6m，通常介于4.5～9m之间。
无吊车时柱间支撑的间距宜取30～45m；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，内柱列宜适当增加柱间支撑； 支撑与构件的夹角应在30°～60°范围内，宜接近45°；
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； 当房屋高度相对柱距较大时，柱间支撑宜分层设置； 不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其他形式的支撑。
3.1结构形式及布置
（2）屋面水平支撑
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，端部 支撑设在第二开间时，第一开间相应位置宜设置刚性系杆； 在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； 由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑
檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度； 最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度； 房屋宽度：房屋侧墙墙梁外皮之间的距离； 房屋长度：房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离；
屋面坡度：宜取1/8～1/20，在雨水较多地区可取较大值。
3.1结构形式及布置
3.1.3．结构布置 1、平面布置 （1）温度区段布置 纵向温度区段<300m 横向温度区段<150m （2）伸缩缝设置 可通过设置双柱，或搭接檩条及吊车梁的螺拴连接
3.1结构形式及布置
Af N 60cos fy 235
A—— 实腹式横梁被支承翼缘的截面面积； f—— 实腹式横梁钢材的强度设计值； fy—— 实腹式横梁钢材的屈服强度；
—— 隅撑与檩条轴线间的夹角。
支撑的设计与构造
1、支撑构件的设计 （1）屋盖水平支撑 屋盖水平支撑
交叉斜杆
刚性系杆
3、适用范围 跨度9设有吊车 起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（超市、车站候车室、 展览厅、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到 72m。
3.1结构形式及布置
3.1.1 结构形式 1 结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和 带毗屋的刚架等形式。
处采用长圆孔进行调节。
3.1结构形式及布置
（3）托梁 当因建筑或工艺要求门式刚架柱被抽除时，应沿纵向柱列 布置托梁以支承已抽位置上的中间榀刚架上的斜梁。托梁一 2 般采用焊接工字形截面，当屋面荷载偏心产生较大扭矩时， 可采用箱型截面。
1
边跨托梁
托梁
托梁的形式和尺寸
3.1结构形式及布置
3、支撑体系布置 （1）柱间支撑
3.1结构形式及布置
3.1结构形式及布置
2、显著特点 质量轻
工业化程度高，施工周期短
综合经济效益高 柱网布置比较灵活
3.1结构形式及布置
2、 门式刚架结构的应用情况 始于20世纪60年代，屋面用瓦材； 20世纪70年代在工程上极少应用。 20世纪80年代在经济特区引进国外门式刚架轻钢房屋，压 型钢板始见用于屋面和墙面； 20世纪90年代初外国轻钢企业进入中国大陆，带动了内资
轻钢企业的发展。中期以来，采用门式刚架轻型房屋钢结
构的工程数量越来越多，工程规模越来越大，充分展示了 这种结构的优越性。
3.1结构形式及布置
国家标准的制定情况： 《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002） 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）
3.1结构形式及布置
3.1结构形式及布置
3.1结构形式及布置
3.1结构形式及布置
（3） 隅撑布置 为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与 檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。隅撑间距不应大于13b（对 Q345钢）或16b （对Q235钢），b为刚架梁受压翼缘的宽度。
隅撑构造
隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算
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；
刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承 载力要求。若不满足，应另设刚性系杆； 交叉支撑可采用张紧的圆钢，屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上 翼缘处，
在设有带驾驶室且起重量大于15t的桥式吊车的跨间，应在屋盖边 缘设置纵向支撑桁架。
3.1结构形式及布置
3.1.1 门式刚架特点及适用范围 1、结构特点
（1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成； （2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、 檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接； （3）构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓连接， 安装方便快捷，土建工作量小。 （4）刚架构件的刚度较好，为制造、运输、安装提供了便利； （5）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，以彩钢板或夹芯板做屋 面、墙面； （6）和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地 利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积。