浅谈门式刚架轻型钢结构的设计

　　摘要：笔者基于近年来的工程实践，对门式刚架轻型钢结构的设计与应用进行了分析与探讨，以供业界参考。
　　关键词：门式刚架轻型钢结构；设计
　　
　　门式刚架是典型的轻型钢结构，它具有节省材料、造价低廉、施工时间短的优点，因而被广泛应用。笔者总结近年来的工程实践，提出在门式刚架轻型钢结构设计与应用方面应考虑和注意的一些技术问题。
　　一、适用范围及经济比较
　　门式刚架轻型钢结构房屋(以下简称为“门式刚架”)通常由基础、刚架、支撑系统、屋面及墙面檩条和拉条以及压型钢板屋面板组成，根据《门规》CECS102—2002规定门式刚架可用于单跨或多跨承重，具有轻型屋盖和轻型或砌体外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1～A5工作级桥、梁式吊车或3t悬挂起重机的单层房屋。结合《钢结构设计手册》(以下简称《手册》)及《轻型钢结构设计手册》(以下简称《轻钢手册》)以及门式刚架标准图集，门式刚架通常用于跨度9～36m，柱距6～9m，设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑，特别是在超市、娱乐体育设施、车站候车室等大跨度公共建筑中尤为适用。与其他结构形式比较，门式刚架在经济上具有如下特点：
　　(1)与排架比较，同等跨度及荷载情况下，虽然前者的用钢量大于后者，但相对排架来说刚架的檐口高度可以更低，也就是说浪费的空间较小。因为实腹刚架没有下弦杆和下弦支撑或系杆，所以人在室内不会产生压抑感，且排架体系支撑系统较复杂，制作和安装均浪费时间及人工。但如果建筑房屋檐口较高(大于12m)，则应该通过计算比较排架与门式刚架的工程造价，以确定结构方案。
　　(2)与网架比较，虽然小跨度网架能大量减小檩条的用钢量(因为通常情况下小跨度网架的上弦节点间距会小于门式刚架的柱距)，但网架自身的造价和支撑网架的钢柱造价又通常会高于门式刚架，所以在门式刚架适用跨度范围内门式刚架在工程造价方面会优于网架。
　　(3)与框架结构体系比较，门式刚架则更为经济。
　　二、确定结构形式，选择经济的设计方案
　　CECS102-2002中规定门式刚架轻型钢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，当超过此规定时，应设置伸缩缝。当遇到超长、超宽的轻钢结构时，不仅应设置伸缩缝和相应的支撑加强房屋的整体刚度，还应注意考虑屋面排水要求(屋面坡度不应小于5％)，防止屋面板长度过长引起的渗漏问题以及房屋通风采光问题。
　　通常的经济用钢跨度和刚架间距，是仅从总用钢量最少的角度来讨论的。无桥式吊车和悬挂吊车时，刚架的经济跨度约为21m～24m，大于36m就不经济了；当有桥式吊车时，其经济跨度大概在30m～34m之间。有桥式吊车时的经济跨度反而大于无桥式吊车时的经济跨度，主要是因为吊车梁的用钢量在主结构(刚架与吊车梁)中所占比重随刚架跨度增加而减少。门式刚架的间距通常采用6m，7．5m，9m，12m等，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3．5～5为宜。无桥式吊车时，刚架间距以7．5m～9m为宜，有桥式吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架，刚架间距以6m～7．5m为宜。
　　三、材料选择
　　（1）钢材选用：一般认为，当计算所需梁柱截面由强度控制时，可优先选用较高强度等级的钢材。但当结构由变形或稳定控制时，则应优先选用较低强度等级的钢材。《规程》规定，门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙粱等构件宜采用Q235一B或Q345一A及以上等级的钢。实际上，当Q235附加冷弯试验合格的保证及核算碳当量满足要求后，可以用于不承受低温环境和动荷载较大的结构。
　　（2）焊接材料选用：设计者一般只需根据母材的种类选择与其匹配的相同等级焊条或焊丝、焊剂即可，无需给出具体的牌号。但直接承受动力荷载的焊接连接或重要的厚板焊接宜选用低氢型焊条，如E4315、E4316、E5015、E5016等。
　　（3）螺栓选用：对于钢结构主材的连接，一般采用高强度螺栓(8．8级或10．9级)。应该注意，设计中仅指定螺栓的性能等级和连接材料的摩擦系数即可。承压型或摩擦型只是抗剪连接的两种形式，大六角头或扭剪型高强度螺栓都可以用于这两种连接，不能混淆两个概念。
　　四、跨度与柱距的选择
　　门式刚架的跨度宜采用9-36m，门式刚架的平均高度宜采用4．5～9m，当有桥式吊车时不宜大于12m，门式刚架的柱距宜采用6～9m。笔者认为规范中门式刚架跨度和柱距的规定是从经济的角度来考虑的。相关资料显示，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，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。相关资料显示，当檐高6m、柱距为7．5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的刚架单位用钢量(Q235一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。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。
　　五、刚架计算模型注意的问题
　　（1）门式刚架柱脚多按铰接设计，但当有5t以上的桥式吊车时宜按刚接设计。
　　（2）门式刚架的屋面坡度宜取1／8～1／20，且在雨水较多的地区宜取较大值，一般取1／20。
　　（3）主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘出平面的稳定性，由与檩条或墙梁相连接的隅撑来保证。计算平面外稳定时的平面外计算长度对于单元构件可取隅撑间的距离。一般檩条和墙梁的间距为1．5m隅撑间的距离为3m，一般来讲隅撑间的距离能满足规范规定的受压翼缘宽度的16倍的要求。
　　六、截面的选择
　　（1）梁：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《钢结构设计规范》(GB50017—2003)中第4．2．1条的规定按ll／bl限值确定，这样可以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，可按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程))(CECS102：2002)中第6．1．1条规定的宽厚比及高厚比初步确定其板件厚度。
　　（2）柱：柱截面按长细比预估，通常50<λ<150，简单选择值在80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。
　　（3）当初步确定的截面不满足时，应分两种情况来看如何加大截面：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，否则很不经济。
　　七、节点设计的优选
　　节点的优化设计主要体现在梁柱节点、柱脚连接和抗风柱的设计上。一般来说，端板连接是门式刚架中应用得最多的梁柱节点连接类型，主要适用于无吊车结构。主要包括外伸式、外伸式加肋、平板式等几种形式，通常情况下选用外伸式加肋的节点形式。柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。而实际生活中多半是半刚接半铰接状态。如果结构对侧移控制较严，采用刚接柱脚。反之，则使用铰接柱脚。因此在实际设计中应比较分析后确定哪种方法。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]孙兴平.轻型门式刚架结构设计施工中应注意的问题[J].砖瓦，2010（5）.
　　[2]冯春明.门式刚架轻型房屋钢结构的设计[J].建筑与设备，2010（1）.

《浅谈门式刚架轻型钢结构的设计》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 浅谈门式刚架轻型钢结构的设计

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-15981