浅谈对门式刚架结构的理解

浅谈对门式刚架结构的理解
富东凯;江波
【摘要】根据<门式刚架轻型房屋钢结构技术规程>及相关国家标准图集的规定,对一个门武刚架结构体系的工程进行结构设计,其中包括解决超温度区、设置纵向刚架等问题,使门武刚架结构在满足安全、经济的前提下,能够更好的达到适应工业生产的具体工艺要求的目的.
【期刊名称】《建筑设计管理》
【年(卷),期】2011(000)003
【总页数】3页(P53-55)
【关键词】门式刚架;连接;柱脚;抗风柱;计算长度
【作者】富东凯;江波
【作者单位】中国中建设计集团有限公司,北京,100000;中国建筑东北设计研究院有限公司,沈阳,110006
【正文语种】中文
【中图分类】TU323.5
0 引言
门式刚架一般用于具有轻型屋面的低矮房屋，该种结构在横向有柱脚为铰接的刚架组成，具有较好的抗侧力作用；纵向则是由屋面支撑和柱间支撑与系杆形成的类似于桁架的加强带作为抗侧力体系，因其可以满足大跨度要求，且用钢量经济，而被
普遍应用于工业民用建筑中。

但是，门式刚架结构本身也有很多缺陷，例如抗侧力较差，因利用后屈曲强度造成板件较薄等，这些问题也使门式刚架结构成为工程事故多发的结构，因此只有充分理解其体系特点和严格遵守规范要求，才能真正使门式刚架结构成为既安全又经济适用的结构。

1 工程简介
某工程位于青岛，门式刚架轻型钢结构体系，刚架为4跨，单跨21m，柱距10m，横向长度84m，纵向长度179.6m(轴线间距)，檐口标高7.75m，5%屋面坡，最
高点标高9.850m。

2 荷载
当地雪荷载较小，仅为0.2 kN/m2，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(以下简称《门规》)第3.2.5.1规定，活荷载起主要起控制作用，取值为0.5
kN/m2，根据《门规》第3.2.2条规定，刚架受荷水平投影大于60m2时，可采
用0.3 kN/m2，故本工程在刚架计算时活荷载实际取值为0.3 kN/m2，但是对檩条等计算活荷载仍然应取0.5 kN/m2。

风荷载对轻型钢结构的影响是很大的，本工程风荷载为0.60 kN/m2，风荷载的吸力作用是很明显的，根据《门规》第3.2.5.5规定，风荷载不与地震作用同时考虑，因此该工程没有地震作用计算和抗震构造措施。

该工程无大型空调系统，仅为普通悬挂灯具，消防水管等，因此悬挂附加荷载取为0.15 kN/m2。

3 结构构件
3.1 刚架
刚架是主要结构构件，包括刚架柱和刚架梁两部分，由《门规》6.1.1.1条规定可知，门式刚架的截面高厚比较普通钢结构要明显的宽松，这主要是门式刚架结构考虑截面的屈曲后强度，从而体现出结构“轻”的特点，刚架基本上都是变截面，即
可减轻自重又可节约材料，但是其收截面应严格遵守《门规》6.1.1.6条规定，不
得超过60mm/m的规定，如超过该规定则不能利用截面的后屈曲强度，本工程为考虑经济指标，全部采用Q345的钢材，与Q235钢材相比，经济指标要好很多。

对于刚架柱，《门规》6.1.4.1条规定，其出平面计算长度可取侧向支撑点间距，
并明确该支撑点可为隅撑；而对刚架梁，《门规》6.1.6.2仅规定出平面计算长度
取侧向支撑点间距，目前对此理解基本有以下几种：
(1)取檩条间距倍数，如1.5m檩距，则可取3m、4.5m、6m等；
(2)取隅撑间距，一般隅撑为2倍檩距；
(3)取3m，因一般檩距为1.5m，取到2倍檩距。

该工程属于普通檩距，即为1.5m，按照一般经验，取上述第二条做法，将刚架梁计算长度取到3m，该取法也恰满足第三条要求。

以下为刚架截面及计算简图(图1)。

以下为刚架计算结果输出(图2)，计算软件采用STS。

钢结构应力比图说明：
图1 框架立面图
图2 配筋包络和钢结构应力比图
(1)作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值柱左：
右上：平面内稳定应力比(对应长细比)；
右下：平面外稳定应力比(对应长细比)。

(2)作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值梁上：
左下：平面内稳定应力比；
右下：平面外稳定应力比。

计算结果的应力比一般控制在0.8左右，主要考虑到钢材因生产工艺等原因产生的缺陷对钢材强度的影响。

该工程刚架有特殊之处，首先该工程长度较《门规》4.3.1条，温度区的长度要求
略有超限，严格意义上说应按规范要求采用伸缩缝，但该厂房对防水要求较高，采用伸缩缝可能造成施工困难，且不能保证施工质量，故采用无伸缩缝方案；其次，本工程因生产工艺要求，不能设置柱间剪刀支撑，只能采用纵向刚架作为弱向抗侧构件，但其效果较剪刀支撑要差，综合以上两点原因，对整个结构又进行了SETWE的整体空间补充计算，并考虑温度应力对结构的影响，计算结果如下(图3)。

因STS无法进行纵向刚架计算，故纵向刚架的相关结果均应参照SETWE计算结果。

3.2 抗风柱
按照国标《门式刚架轻型房屋钢结构》02SG518-1，抗风柱通常采用刚架支出牛
腿或弹簧片的做法，该法受力明确，抗风柱仅承受水平风荷载，竖向仅有自重，但是此种方式也有不足之处，抗风柱与不与刚架在同一平面，再加上抗风柱外还要安装墙梁，使得外墙板与刚架之间有很大的面积无法正常使用，并且抗风柱并没有减少刚架梁的计算长度，不经济。

图3
该工程考虑到这些问题，故抗风柱与刚架设置在同一平面，抗风柱作为刚架梁的竖向支撑点，即抗风柱兼做刚架柱，该种做法可解决以上抗风柱的不足，但是该种抗风柱的受力除了应考虑水平风荷载之外，尚应考虑刚架梁传来的竖向荷载，抗风柱的构造要求及柱脚满足刚架柱的要求，节点如图4，该种方法取得了良好的经济及使用效果。

图4
3.3 连接
刚架连接采用高强螺栓法兰盘连接，连接节点选在刚架梁1/3左右，因为该位置
大约是反弯点，弯矩较小，且剪力也较小，按照一般做法，计算出的螺栓连接并不
做人为的放大，即“算多少用多少”的原则，但是刚架通常都会有较大的安全度保留(约0.8的强度利用)，故在连接螺栓这种薄弱处更应加强，因此，该工程对螺栓连接处也做了安全度保留，保证这些薄弱处有较高的安全储备。

3.4 柱脚
门式刚架通常采用铰接柱脚，有特殊要求时也可采用刚接柱脚。

从整体受力来看，当整体结构形成时，铰接柱脚完全可以支撑刚架，形成稳定结构，但是铰接柱脚的安全隐患主要存在于施工阶段，即开始分段吊装刚架时，该段刚架没有其他刚架的整体约束，此时如柱脚的螺栓过少，很容易出现施工阶段刚架倒塌，故笔者建议，尽管铰接柱脚的锚栓理论上可以仅用2个，但是实际最好不要少于4个锚栓，以保证施工阶段安全。

对于该工程的纵向刚架，采用的是单侧刚接的做法，即在结构纵向为刚接，横向为铰接。

4 结语
本文通过一个门式刚架轻钢结构工程的计算和分析，阐明对该结构和规范相关条文的理解。

分析表明，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》以及相关国标图集对门式刚架的基本概念都作出了深刻具体的规定，但是随着社会的发展，也应对具体工程做具体的分析，并根据实际工程经验对规范的一些条文予以加强。

【相关文献】
[1]汪一骏.钢结构设计手册(上册)[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.
[2]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.
[3]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].
[4]CECS 102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].。