关于门式刚架轻型钢结构厂房设计的论述

关于门式刚架轻型钢结构厂房设计的论述

韦爱文

南宁市规划建筑设计集团有限公司 广西省南宁市 530000

摘要：随着钢结构设计方法和施工制作技术的日益完善, 合理的计算加合理的构造一定能做出合理的工程设计，本文并提出一些在设计中应注意的问题和建议，供同行参考。

关键词：轻型钢结构：门式刚架：支撑；檩条

近年来，在工程设计中，门式刚架轻型钢结构厂房的应用日趋普遍，大量的工程应用充分展示了这种结构的优越性。如何精心设计以达到安全适用、经济合理成为广大结构工程日益关注的焦点，相信本文一定可以为广大结构工程师提供一些设计思路。笔者通过多年的设计经验, 探讨了轻型钢结构厂房设计中的几个容易忽视的构造问题。

1 门式刚架柱网尺寸的选择及结构体系的布置

1.1 柱网尺寸的选择

门式刚架柱网布置首先应满足厂房工艺使用的要求，门式刚架间距通常从6～9m，不论是否具有吊车、门式刚架的合理柱距建议采用8～9m，由于工程中构件数量的多少，将直接影响加工、安装的工程量、施工进度及造价，一个工程采用9m柱距时的刚架、檩条、吊车梁等构件的数量要比采用6m柱距时约减少30%，虽然其截面有所增大，但其对缩短施工周期、降低工程造价的有利影响十分明显。门式刚架的较经济跨度建议在21～24m范围内采用，其合理的最大跨度不宜大于36m。

1.2 结构体系

门式刚架通常考虑为平面结构，作为横向受力主结构与次结构，如檩条，墙梁和支撑等组成整个门式刚架轻型钢结构体系。檩条和墙梁既是承受竖向和水平荷载的构件，也是刚架和刚架之间的连系构件。厂房纵向水平力由支撑体系承受，在每个温度区段端部柱间或第二柱间应设置屋盖横向支撑，其余位置每隔40m左右设置一道横向支撑，以使整个房屋形成空间稳定结构。门式刚架轻型结构房屋的纵向温度区段不大于300m；横向温度区段不大于150m。

2 门式刚架设计

2.1 门式刚架的形式

门式刚架的形式有单脊单坡、单脊双坡多跨和多脊多坡等形式，必要时也可采取带挑檐和毗屋的形式。

门式架的横梁一般为变截面，刚架柱则根据建筑物的跨度、高度、荷载大小及荷载种类可采取变截面或等截面。设有桥式吊车时，柱采用等截面构件。门式刚架的柱脚一般设计成铰接，可简化柱脚构造，减低对基础的要求，减少基础造价，但当设有桥式吊车时并对侧向刚度有严格要求时，柱脚则应设计为刚接，当刚度能够满足使用要求时，门式刚架的中间柱上端可与横梁铰接，成为摇摆柱。门式刚架的构件一般采用实腹焊接工字型截面或热轧H型钢，变截面可以采取改变截面高度，改变腹板厚度或者改变翼缘厚度和宽度的方式。截面的变化主要根据结构的内力变化而定，尽量充分发挥材料的作用。

2.2 门式刚架受力分析和构件的设计

2.2.1荷载及受力分析

考虑到计算时假设屋面活载是满布的，如荷载取值过大，则安全度较大，用钢量也增大，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定:当采用压型钢板轻型屋面时，屋而竖向均布活荷载的标准（按水平投影面积计算）应取0.5kN/m2，包括计算屋而板、檩条，但对受荷载水平投影面积大于60m2的钢屋架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2。

2.2.2门式刚架构件的设计

门式钢架在具体构件计算时主要涉及到以下几个问题：

（1）刚架横梁和柱端弯矩的近似估算

柱底铰接的单跨门式刚架为一次超静定结构，当横梁和柱为变截面时计算十分复杂，必须借用计算机求解。当一端柱底的水平反力或柱顶(或横梁端)的弯矩求得后，就可用静力平衡公式求解。

（2）关于刚架平面外的计算长度

梁的平面外计算长度，分上翼缘和下翼缘两种情况。

1）上翼缘计算长度，通常有三种取法，分述如下：

①取上翼缘横向支撑的节距:支撑的节距，按刚架跨度、柱距确定。通常取檩距的倍数，支撑的节距直接影响横梁的截面和整体稳定性。

②取隅撑间距:隅撑通过檩条连接于有弹性侧移的下翼缘上，故其不能作为上翼缘受压时的侧向支点，在某些情况下可将其作为下翼缘受压时的侧向支点，具体见后面下翼缘的计算长度论述。

③取3m：不少轻型房屋门式刚架中取2个檩距，当1.5m檩距时取Ly=3.0m，如果以上2个檩距、3根檩条，均不在横向支撑节点时，所有檩条均随梁的上翼缘侧弯，不能起支撑作用，只有位于支撑节点处的檩条才能起侧向支点作用（即取横向支撑的节距），取Ly=3m，能设计合理的横梁截面，充分发挥强作用，当屋面刚度好，与檩条连接可靠时，考虑屋面实际存在的蒙皮作用，取2个檩距，即3m，这按规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术》规程第5.1.2条的精神在实践中也是可行的。

2）下翼缘计算长度，通常也有两种处理办法。

①设置隅撑:隅撑间距取不大于16b1√235/fy，(b1为受压翼缘宽度)，多数取3.0～4.5m，或者取与上翼缘横向支撑节点处檩条相连的隅撑间距，亦即横向支撑的节距。

②不设隅撑，取Ly=0.4L；取Ly=0.4L的前提与弯矩图形有关，正常情况下，梁端为负弯矩，跨中为正弯矩，考虑柱面风荷载使梁反弯点内移，故偏安全地取反弯点距梁端为L/5，借用技术规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中格构式刚架平面外长度的计算公式进行计算，但是当风荷载的效应大于恒荷载的效应，便跨中产生负弯矩时，此时梁跨中下翼缘的计算长度可能比式L

y=0.4L算得稍大。

3）柱的平面外计算长度Ly，分为有桥式吊车和无桥式吊车两种情况：

①有桥式吊车：上柱，取上柱支撑与柱连接点的距离即上柱长度；下柱，取下柱支撑与柱连接点的距离即下柱长度。

②无桥式吊车:取柱间支撑与柱连接点的距离，即柱全长。

   （3）隅撑计算

隅撑按轴心受压构件设计，其轴力按下式计算：

    N= (Af/60ncosӨ) √fy235

    式中：A—横梁受压翼缘的截面面积；

          f—横梁钢材的强度设计值；

          fy一横梁钢材的屈服强度；

          n一隅撑数量。

3 檩条、墙梁及拉条

门式刚架轻型钢结构厂房中的檩条和墙梁一般采用高效经济的实腹式带卷边C型和Z型冷弯薄壁型钢，其优点是截面回转半径和惯性距相对较大，整体刚度较好，能够充分发挥材料的性能。但同时也存在截面抗扭刚度较小，对荷载的偏心非常敏感，在计算时要考虑可能产生的扭转变形和约束翘曲应力，在设计檩条、墙梁、拉条一类的围护构件时应注意以下几点:

（1）风荷载标准值按规程《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定计算更能符合实际;为避免造成施工中的不便，应尽量不采用双层拉条。

（2）当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过稳定计算解决;在风吸力作用下檩条的稳定性可采用《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》中的公式验算。

4 支撑设计与构造

4.1 屋盖支撑

规范《建筑抗震设计规范》第9.1.20条规定，屋盖支撑杆件宜用型钢，目前多数采用圆钢，甚至在Ⅷ度地震区也有用圆钢的，必须引起高度重视，由于人们对震害的感受不深，认为地震发生的概率很小，因此重视够，尽管屋盖支撑在规范中并无严格的间距布置和长细比的构造要求，但其截面宜符合用型钢的构造要求。结合我国地震分布广阔的实际情况，屋盖支撑一律采用圆钢未免过分极端，根据现有的经验，建议Ⅷ度地震区应用型钢截面，Ⅶ度及Ⅷ度以下视刚架跨度和荷载大小可考虑是否一律采用型钢。

4.2 柱间支撑

与以上的屋盖支撑相同，工程中采用圆钢的也不少，由于柱间支撑为抗震中的主要受力构件，它不仅要经抗震计算确定其构件截面，还必须满足不同烈度的长细比构造要求，比屋盖支撑有更高的要求，本人认为≥Ⅶ度抗震区宜用型钢。

5结语

综上所述，作为轻钢结构厂房设计，设计人员不仅要熟悉结构概念、设计规范，还有基本的力学知识，同时要有清晰的设计思路，从柱网尺寸的选择、结构体系的布置到刚架的受力分析、主体构件设计、围护结构、支撑、吊车梁设计等，每一个细节均需重视，从大局着眼，从细处入手，把轻型钢结构设计做得更合理。