单层轻型门式刚架结构设计要点

单层轻型门式刚架结构设计要点

发表时间：2020-03-27T01:30:40.012Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年23期作者：周向亮

[导读] 随着国民经济的不断提高，我国钢产量的不断提高，为轻型门式刚架结构的应用水平和领域不断深入扩展。

天津市润实建筑设计有限公司 300110

摘要：随着国民经济的不断提高，我国钢产量的不断提高，为轻型门式刚架结构的应用水平和领域不断深入扩展。轻型门式刚架厂房使目前单层工业厂房中较为常见的其中之一。其主要特点是用造价低、施工方便易安装、钢量少、施工周期短、适用范围广，因此在厂房、工业仓库、民用建筑以及展览厅等工业得到越来越多的发展及应用。为在设计过程中对厂房结构进行优化设计发挥其特点，降低用钢量就显得非常有必要。

关键词：轻型门式；刚架厂房；结构设计

轻型门式刚架结构源于美国，在我国门式刚架轻型房屋钢结构的应用和研究起步较晚，大约始于8O年代初期，近年来得到迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。轻型门式刚架结构已成为我国钢结构应用最广泛。

一、单层轻型门式刚架结构的特点

1、质量轻便。钢架结构的不断发展，质量轻便已经成为一个主要的发展趋势，该结构不管是金属板、玻璃棉等材料都属于较为轻质的材料，根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般仅为10～30kg/m2，这就相较于以前的老式结构轻便许多，并节省成本。

2、施工简便、迅速。门式刚架结构中的主要构件都来自于工厂加工制作，使得质量就有了很好的保障。施工基本不存在湿作业的情况，这就保证了安装施工的安全程度。安装时构件之间一般只需要用高强度螺栓连接辅以焊接，安装操作简便、快速。

3、结构布置灵活多变。传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6m，大大限制了使用空间，当采用12m柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。内部空间使用更加灵活多变。

二、单层门式刚架结构设计及体系选择

1、结构形式。门式刚架的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，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且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。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。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。

2、刚架设计

（1）荷载及荷载组合。永久荷载。永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。可变荷载。可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为

1KN）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。

（2）刚架内力和侧移计算。内力计算。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编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有：最大轴压力 Nmax 和同时出现的 M及 V的较大值。最大弯矩 Mmax 和同时出现的 N及V 的较大值。最小轴压力Nmin 和相应的 M及V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时 M=0。

（3）侧移计算。变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

3、辅属结构构件设计

（1）压型钢板设计。压型钢板材料的选择可根据建筑功能、使用条件、使用年限和结构形式等因素考虑，钢板基板的材料有 Q215 钢和 Q235 钢，工程中多用 Q235-A 钢。压型钢板的截面形式较多，根据波高的不同，一般分为低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的

抗弯刚度就越大，承受的荷载也就越大。压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面按受弯构件计算。计算内容包括压型钢板腹板的剪应力计算、支座处腹板的局部受压承载力计算、挠度限值验算等。

（2）檩条设计。檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度不大于9m 时，应优先选用实腹式檩条。檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。

（3）墙梁、支撑设计。墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边 Z 形钢。墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁。门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。

三、门式刚架厂房优化设计

1、优化轻钢结构厂房支撑系统。在轻钢结构厂房屋盖的支撑系统布置过程中，要按照厂房的实际振动设备、吨位、跨度、结构形式、柱网设置以及高度与吊车设置等状况来决定。一般而言，不考虑屋盖结构的檩条，主要设定在垂直支撑上。在无檩系统中，屋面板要和屋架进行焊接，从而达到上弦支撑目的。但在实际设计过程中，由于施工条件的束缚。考虑到安装要求，要将上弦横向支撑系统设置在屋架上弦位置以及天窗架上弦部位。同时，当厂房屋架间距处在 12m以上时，或者设置有特重级的振动设备与桥式吊车时，要设定纵向的水平支撑系统。

2、优化轻钢结构厂房屋面设计。在轻钢结构厂房的屋面设计中，主要内容是防水。屋面防水设计主要考虑三个方面的因素：（1）屋面坡度；（2）天沟形式；（3）单坡屋面长度。执行相关的屋面工程技术标准，在实际工程中，诸多厂房屋面坡度处在（2%～3%）之间，不符合实际要求。考虑到材料性能、节点处理与技术等因素，要将坡度设置为 5%。在积雪地区，坡度要增大，而轻钢结构厂房的单坡屋面长度设计要注意所在区域的温差与降雨变化。根据相关工程设计资料显示，单坡屋面长度要把控在 70m以下，才能保证厂房的使用性能。当超过这个标准值时，要进行特殊处理。

3、优化轻钢结构厂房立面设计在建筑表现上，轻钢结构厂房主要具有四个方面的显著特征，即规模、线条、色彩、变化。在轻钢结构厂房设计过程中，要积极发挥彩色压型钢板的色彩表现力，摆脱传统钢筋混凝土厂房的死板与单调。基于工艺要求，轻钢结构厂房体型受到约束，因而体型变化多样。在一定程度上，导致节点的处理异常复杂，总体施工造价较高。因此，在具体的设计过程中，要发挥跳跃性色彩的表现张力。综合运用冷色调，突出厂房关键出口、收边泛水以及外天沟等，尽可能地完善厂房立面设计。

随着我国建筑市场的不断发展，轻型门式刚架结构作为我国建筑工程施工技术，其结构技术和应用的实践和理论水平日益提高。目前轻型门式刚架结构的设计以其操作简单，安装设备与技术条件较为成熟，耗费成本较低日益成为建筑行业发展的重点，其应用的范围向各领域不断扩大。

参考文献

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[2]陈绍蕃．轻型门式钢架的设计和应用[J].商品与质量：学术观察，2018（8）：04.

[3]邱孝朗.轻型钢结构门式刚架厂房结构设计探讨[J].中国高新技术企业，2017（28）.