36米跨度轻型门式钢架结构设计

前言
我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期：1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构；自1990 年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。

门式钢刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中；钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用；薄壁彩钢板已大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中；钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中；冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。

现代钢结构体系由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。

人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。

但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。

例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。

这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。

事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。

所以，从结构工作机理和设计计算原理的角度出发，轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。

门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。

早期典型的门式钢刚架是1910 年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构；1932 年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构[1]。

现代轻型门式钢刚架体系是由国外钢结构专业公司引入我国的，它包括主结构系统（刚架、支撑、抗风柱等）、次结构系统（屋面和墙面檩条等）、辅助结构体系（挑檐、雨蓬、女儿墙、楼梯、吊车梁等）、围护板材体系、柱脚和基础等。

近年来钢结构建筑在我国出现了非常快的发展势头，应用范围不断扩大，目前，我国钢结构建筑的发展处在建国以来最好的一个时期。

但是，与国外的一些发达国家相比，我国在许多方面还存在着明显差距，如美国、日本、德国等国家，在工程建设中广泛采用钢结构，钢结构建筑占整个建筑市场的40%以上，而目前我国的钢结构建筑所占比重还不到5%。

由此可见，今后我国的钢结构建筑市场有着巨大的发展空间。

1 本设计主要研究的内容
首先，介绍了有关轻型门钢结构的发展历史和目前其在国内外的发展状况，以及轻型门式钢架的形式、特点等内容。

其次，对其载荷取值、截面选取和验算等理论知识进行了介绍。

最后进行工程实例设计，分别从荷载选取和组合、建立计算模型、内力分析、截面验算等方面进行分析，进而得出最终符合力学要求的设计信息，建立出实体模型，完成本双跨轻型门式钢架的设计。

2 轻型门式刚架的介绍
2.1 轻型门式刚架结构在国内外发展概况及研究现状
2.1.1 轻型门式刚架结构体系在国外的发展概况
最早在建造房屋中使用钢结构的国家可以追溯到十八世纪末的英国，一百年后法国工程师埃菲尔建造了著名的铁塔，人们也开始尝试建造钢结构的独户住宅，从此钢结构建筑彻底改变了以往建筑造型的模式，建筑设计的理念与方法亦随之嬗变。

早期的钢结构仅是部分构件、配件用铸铁、熟铁制成，到了19世纪80年代结构型钢的出现加快了钢结构在建筑工程中的发展，使钢结构建筑在20世纪60年代实现了其第二次理论和实践的飞跃与创新的发展，德国包豪斯学派就是其理论的发源地。

美国的发展最快，应用也最广泛。

另外，日本和欧洲轻型门式刚架结构体系的应用也较多。

但美国的轻型门式刚架结构体系发展最快，应用也最广泛。

由于门式刚架轻钢结构具有许多其他结构所不具备的优点，而且经济效益十分显著，因此这种结构形式在国外一经推出就得到了广泛应用，国外轻型钢结构发展较早，由于汽车工业的发展，最初用于建造私人汽车库等简易房屋。

二次世界大战时期，由于战争的需要，一些拆装方便的轻钢结构建筑用于营房和库房。

60年代以来，国外建筑钢材的发展有了很大突破，色彩丰富而耐久的彩色压型钢板的出现，以及H型钢和冷弯型钢的问世，极大地推动了轻型门式钢架结构的发展，至今已形成为一种特殊的商品流通[2]。

随着新型建筑材料的出现、加工设备的不断改善、设计形式的多样化，轻型门式刚架结构体系逐渐普及到大型工业厂房、商业建筑、交通设施等建筑中，实现了设计、分析、出图的程序化(如大型通用化设计软件包Locke Building System Software)，构件加工、安装施工、经营管理一体化流程。

业主不是带图着图纸委托加工，而是向承包商定购某种轻型钢结构房屋，承包商在短时间内按业主要求建成，并交付使用。

这种高质量的快速供货方式，使业主感到十分满意，门式刚架轻型钢结构得以迅速发展。

目前，外国轻钢公司大部分都具有自己的门式刚架轻钢结构系列，各公司的轻钢结构系列大同小异。

据统计，欧美各国由轻钢结构体系建造的非居住单层建筑物占50%以上，日本新建的1~4层建筑大多采用轻钢结构。

许多国家如英、美、日、澳大利亚等国家已作为一种经济快捷的建筑结构体系，以商品的形式出售。

其中，美国轻型门式刚架结构体系主要用途比例为：①商业：仓库、小卖店、事务所、银行、车库设施占42%；
②制造业：制造工场、仓库占34%；③文化娱乐业：学校、教堂、娱乐、福利设施占9%；其它：15%。

在日本，轻型门式刚架体系有两种类型：第一种类型是日本自身发展起来的，己实现了构件标准化、定型化、装配化；经营管理、设计、生产、施工、售后服务系统化。

第二种类型是1989年以来，由美国引进的轻钢结构体系的基础上发展起来的[3]。

日本工程界目前正对主钢架在地震力作用时保有水平耐力所需的Ds值的取法、55kg级钢材大断面z型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁、高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研究。

2.1.2 轻型门式刚架结构体系在国内的发展概况
由于科技的飞速发展以及钢材品质的进步，钢结构的重要性己经被先进国家所肯定，随着我国国民经济的快速发展，我国钢铁工业与建筑钢结构的应用也取得了长足的发展。

中国钢产量自1996年突破l亿吨后，至今已实现”七连冠”。

2000年中国钢产量占到世界钢产量份额的巧.23%，钢材消费量也一跃成为世界大国。

到了2004年，我国的钢产量已达到2.6亿吨，中国钢产量占到世界钢产量份额的25%。

随着中国钢材实现了从短缺到充裕的大跨度飞跃，国家相继出台了”发展钢结构、开发钢结构造和安装施工新技术……“等产业技术政策。

至此，中国的钢结构产业摆脱了由于钢材数量不足对钢结构应用的束缚，驶上积极发展的快车道。

由从前的限制使用钢结构到现在鼓励建筑钢结构的发展。

由于国家政策、钢材生产、设计研发等诸多方面的有利因素，近几年我国的建筑钢结构处于建国以来最好的发展时期，而且还会在相当长时期内得到长足的发展。

建设部、原国家冶金工业局成立的建筑用钢技术协调小组制定的建筑用钢发展计划指出：争取到2010年我国建筑钢结构用钢达到钢材总产量的5%，而发达国家建筑用钢占钢产量的比例目前都在10%以上。

建设部1997年H月发布了新的《中国建筑技术政策》(1996、2010)，具体提出了发展钢结构的要求，这是几十年来的第一次。

近几年来采用钢结构的工业与民用建筑年平均用量呈迅猛发展的态势，其中轻型钢结构房屋所占比重在迅速增加，并且由于其突出的特点及适应我国现阶段国民经济发展的需要而得到飞速发展。

据有关部门统计，1999年中国建筑用钢约2500多万吨，占全部钢材产量的20%一25%。

其中钢筋混凝土用钢筋、钢丝、钢绞线约2000万吨，钢结构约200万吨，金属门窗及设备支架约300万吨。

包括桥梁、石油管线及各专业工业部门使用钢材，其总量约为4000万一5000万吨，占全国钢材产量45%左右。

据统计，2000年中国每年大约有300多万平方米轻钢结构建筑竣工(包括门式钢架、轻钢房屋和压型钢板、拱壳屋盖)。

轻型钢结构所用钢板大量为涂层钢板。

2000年，我国涂层钢板表现消费量达86.4万
吨，而当年涂层板产量只有35.4万吨，市场满足率只有41%。

而到了2004年，我国仅新增彩色涂层板生产能力143万吨/年。

轻型钢结构体系中擦条和墙梁一般采用“Z”型或“C”形冷弯薄壁型钢【4】。

目前，我国冷弯型钢年产量在30万吨左右。

钢结构新兴产业方兴未艾，国产钢结构用钢发展迅速。

这几年，为适应钢结构产业对钢材的需求，一大批新型钢结构用种相继问世，产量在不断扩大。

宝钢开发出新型的耐火耐候钢，初步形成了具有国际先进水平的和中国特点的系列产品B27O一B57ONQ，并在国内的大型厂房、民居、商务楼等应用，受到钢结构加工、施工单位好评；马钢也研制出耐火热轧H型钢，能耐600℃高温，并在上海一幢高层建筑上应用；上海大通钢结构有限公司采用宝钢的材料开发出耐火耐候高频焊接H型钢。

我国的热轧H型钢从零开始发展到2002年的100多万吨，其他钢结构用的中厚板、型钢、钢管、冷弯型钢、涂镀层钢板等产品，都有明显的增长，基本满足国内钢结构行业的需求，为其不断发展做出了贡献。

然而，应该看到，尽管国产的钢结构用钢在研制、开发和产能上有了长足进展，但与钢结构产业未来发展趋势和要求还存在一定的差距，目前国产的轻型薄壁型钢材与我国钢结构建筑业的发展还不能完全相适应。

比如，板材的焊接能力差，16Mn板材在焊接时往往出现层状撕裂；高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决，不能满足轻型房屋钢结构的需要；我国生产的大多为镀锌薄板，而镀铝锌薄板几乎没有，在轻钢房屋中，用户多选用抗蚀性能更好的镀铝锌薄板；我国的型材品种规格还不能满足建筑需要，H型钢的规格不多，对其推广应用带来一定影响；近年来，方钢管在建筑建筑工程应用增多，但这种型材的规格不够齐全，尤其是大规格的很少，对推广应用有一定影响；目前国产钢结构用钢主要是Q235，建筑用高强度低合金钢品种还太少，Q39O钢材在实际工程中尚未见采用；耐火耐候钢等钢材的新品种还需进一步开发；等等。

这些问题有待研究，它为钢铁企业提出了新的攻关课题。

对于轻型钢结构，我国目前主要还是接受轻型门式刚架钢结构体系，我国现阶段的设计规程也是针对这一结构形式。

中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECSI()2：2002)就是针对这一结构形式制定的。

2.1.3 轻型门式刚架结构的研究现状
与传统结构体系相比，轻型门式刚架房屋钢结构体系在理论还很不完善，存在着很大的理论探索空间。

有鉴于此，围绕轻型门式刚架钢结构体系应用过程中各环节的工作均不是简单的成果应用。

另外，轻型门式刚架房屋钢结构体系在各个领域的技术进步和应用发
展，除必要的技术导入之外，应根据自身能力，追逐理论热点，以科技为先导，开展必要的科研工作，以最大限度地挖掘利润[5]空间，追求更大的经济效益和社会效益，满足生产和市场需要。

就目前的热点问题有以下几个方面：
(1)理论研究方面：
①应力蒙皮效应与结构共同工作的空间作用；
②I型变截面梁柱，在腹板局部屈曲后刚架结构体系的稳定极限承载力；
③以用钢量为目标函数，以极限承载力或不适合变形为控制参数的计算机分析、优化设计和评估软件系统的开发等。

(2)实验验证方面：
①节点、基本构件和整体刚架结构，在静力和动力荷载作用下的受力性能、破坏机理和对稳定极限承载力的影响；
②刚架结构体系，在动力和地震荷载作用下的工作性能和破坏机理等。

(3)设计与生产领域技术方面
①轻型门式刚架房屋钢结构体系的进一步简化；
②构件节点(包括刚架和彩板节点)设计的可靠性和方便适用；
焊接I型钢生产线的加工工艺的连续性和高效性，各环节效率如何协调同步，以及具体环节内的专项技术。

如切割、组立(或拼装)、焊接、校正以及除锈和防腐处理技术等。

另外，轻型门式刚架的安装技术有别与传统钢结构。

刚架的安装要区别具体情况和自身安装能力，选择整体或组合吊装方案。

整体吊装的主要优点是速度快，但机械和机具需用量大，并应注意吊装过程中的稳定和作业安全等问题；组合吊装机械和机具需用量少，但工作量相对较大，用时较长。

并且由于作业量大，空中作业的安全性等问题显得十分突出。

同时两者均须强调安装精度对结构受力的影响。

压型板以及配套附件安装则应着重于根据不同板型的需要，选择不同的安装工艺，并且更强调板型连接和节点处理质量，达到外形美观和符合功能性要求等。

2.2 轻型门式刚架的结构体系
2.2.1 门式刚架的结构形式
低层轻钢建筑指两层以下(含两层)的轻钢房屋建筑，主要有实腹式、门式刚架或排架，也可采用格构式构件。

其各榀钢架(含端墙体系)靠墙梁、檩条和各类支撑体系，构成空间的承力体系。

门式刚架轻钢建筑是我国当前最常见和最受欢迎的轻钢建筑形式，在国内低
层金属建筑中占垄断地位，也是人们通常印象中的轻钢建筑。

门式刚架轻钢建筑在空间尺寸上，一般檐高为4.5m-9m，并可适当加大，单体单跨宽以9m-36m为宜，多跨可达100m 以上；不设置温度分区的单体建筑平面尺寸可做到长300m，宽150m，采用温度分区等构造措施后，理论上其平面布置可不受尺寸限制，能较好地满足人们对建筑的布局灵活，使用空间大的要求。

轻钢建筑的主结构、次结构、支撑体系、围护体系，形成一个空间三维的承力体系而共同工作，通常称为系统建筑。

门式刚架轻钢结构体系的主要组成部分为：三块钢板焊接工字型组合截面组成的门式刚架，檩条、墙梁和支撑等次要构件，压型钢板—混凝土楼板组合的楼面，墙面板及屋面板采用彩色压型钢板、压型铝板或压型复合板等。

主刚架是门式刚架结构中的主要受力体系，由刚架柱和刚架梁两部分组成其截面一般采用焊接实腹式工字形或热轧H型钢。

根据刚架的受力特性，刚架柱和刚架梁一般采用变截面的楔形梁(如图2-1a)，以利于构件材料强度的充分发挥和降低造价。

因而热轧H型钢在门式轻型钢结构中的应用截止目前还不是特别普遍。

这主要是由于热轧H型钢一般为等截面而不是变截面[6]。

但是热轧H型钢有其自身的特点：热轧成型材料质量容易保证、材料残余应力小，因而随着设计技术的不断发展，相信也会逐步扩大其使用领域。

图2-1主钢架形式图
Figure 2-1 main steel frame form chart
对于有吊车的房屋，刚架柱一般采用等截面柱或等截面阶形柱，刚架梁仍然采用与应力图形接近的变截面楔形梁(如图2-1b)。

主钢构承受几乎所有的荷载，所有连接于主钢构的构件都要将其承担的荷载通过主钢构传递下去，主钢构是建筑物的骨架。

如果把一座厂房比作一棵大树，那么主钢构就好比是树干，大树不倒靠的是树干，结构牢靠钢构起着决定性的作用，其用钢量也在整个结构中占有相当的比重。

2.2.2 门式轻型钢架特点及适用范围
(1)轻型门式刚架结构的特点：
轻型门式刚架结构，在工业发达国家经数十年发展，目前己非常广泛地应用于各种房屋中。

近年来，我国也开始较多地采用这种结构，并形成自己的系列，轻型门式刚架轻型钢结构的截面尺寸较小，刚架构件的刚度较好，其平面内、平面外差别较小，因此在应用中有以下特点[7]：
①门式刚架内力分布较为均匀，有利于发挥材料的承载力。

②在多跨建筑中可做成一个屋脊的大双坡屋面，为长坡面排水创造了条件。

设中间柱可减小横梁的跨度，从而降低造价。

③重量较轻，抗震性能好。

门式刚架轻型钢结构的重量是钢筋混凝土结构1/8~1/10，是普通钢结构的1/2~1/3。

因而可以降低地基基础造价，减少地震作用的影响；内部空旷，结构新颖。

在商业建筑中可减少吊顶等装修造价，还能满足大跨度的要求。

④门式刚架构件平面内外刚度比较接近，有利于制作、运输和安装。

⑤具有系列化、标准化，被称为工业化全装配式结构。

从屋面、墙面、墙架、保温层和承重结构，形成完整的体系，具有高度的系列化和装配化。

⑥造价合理，综合经济效益好，在综合造价上可以与钢筋混凝土基本持平。

用于中、小跨度的工业建筑和较大跨度的民用公共建筑，均有较为广泛的适用性和较好的经济效果。

(2)轻型门式刚架结构的适用范围：
近几年来，随着我国彩钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，门式刚架结构在我国大量涌现，据有关资料统计，到2000年我国已建成的此类结构工程已达800多万平方米，而且以每年100万平方米以上的速度增加。

门式刚架通常用于跨度9~36m，柱距一般为6m，柱高为4.5~9m，没有或设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑。

设置桥式吊车时起重量不宜大于20t属于中、轻级工作制的吊车(柱距6m时不宜大于30t)；设置悬挂吊车时起重量不宜大于3t。

①单层工业厂房轻型结构门式刚架建造大、中型厂房可设置1t~3t的悬挂吊车，或起重量小于20t的中轻级工作制的单梁或桥式吊车。

建成后的厂房结构轻巧、厂房明亮，造型美观大方，一改过去工业厂房笨重、呆板的模式。

②单层库房由门式刚架做成的库房外形美观、库内空间大，适用于码头仓库和工厂的
各种库房。

采用由焊接H型钢组成的变截面门式刚架，压型钢板围护结构，一栋近800平方米的棉花库房，3天—5天可以安装完毕。

如在北京西郊机场建设中，从美国引进一座跨度72m的飞机库，安装工期仅为3个月，与采用3层焊接空心球网架结构相比，不仅造价低、安装方便，而且施工速度快。

③现代商业、文化娱乐设施和体育馆各种商业建筑如超级市场、贸易中心，农贸综合市场以及各种名义的商业城，要求建筑物跨度大，视野开阔。

这些建筑最合理的结构形式就是轻型门式刚架，它具有兴建快、改建或转向容易、造价低和适应性强等特点。

3 设计的理论知识
3.1 轻型门式刚架荷载取值及荷载效应组合研究
设计荷载是结构设计的基本依据，是保证结构安全运行和经济投资的首要因素。

由于我国门式刚架的研究与应用起步较晚，到目前为止尚无正式的国家规范面世，当前的设计与施工均执行中国工程建设标准化协会编制的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102：2002)。

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第3.1.2条的规定：门式刚架轻型房屋钢结构的承重构件，应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

当结构构件按承载能力极限状态设计时，应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的规定采用荷载效应的基本组合计算。

当结构构件按正常使用极限状态设计时，应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定采用荷载效应的标准组合计算变形，并符合本规程3.4节的要求。

3.1.1 荷载的种类、取值
一个建筑对外界防御的第一道防线由墙面和屋面组成的外维护体系。

它们同时承受风载，雪载等荷载的作用，并将这些荷载传到次要支承结构上。

次结构即墙面墙梁及屋面檩条，将由墙面及屋面传递来的荷载均匀地传到主结构上去，同时对主结构提供良好的侧向约束。

对于门式刚架轻钢结构，其主结构由柱及横梁构成，承受荷风载、雪载及其它的荷载，并将其传递到基础。

对于轻型单跨门式刚架结构，所受的荷载基本上有三大类：永久荷载、可变荷载偶然荷载[8]。

永久荷载：指轻型门式刚架结构本身各部分的自重，它包括屋面覆盖材料的自重、墙体材料的自重、骨架结构极其支撑系统的自重、门窗及设备的自重和各种构造构件的自重。

可变载荷：轻型门式刚架结构所要考虑的可变荷载为屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、雪荷载和风荷载等[9]。

雪荷载：雪荷载是指屋面水平投影面上的积雪荷载，它的大小及其分布与气候、地形建筑物形状、屋面材料及屋面受热状况等因素有关。

由于变量较多，统计数据不足，用统计函数关系来确定以上因素对雪荷载的影响还没有成熟的方法。

为此，我们国家的规范采用半统计的方法来确定屋面积雪荷载。

《建筑结构荷载规范》规定，基本雪压S。

是以当地一般空旷平坦地面上的统计所得50年一遇最大积雪的自重确定，全国各地区的基本雪压值可按《建筑结构荷载规范》的全国基本雪压分布图的规定采用，当该地区的基本雪压值
在全国基本雪压分布图上没有给出时，其基本雪压值可按下列方法确定[10]：
(1)当地有10年以上的年最大雪压资料时，可通过对资料的统计分析确定。

(2)当地的年最大雪压资料不足10年时可通过与有长期资料或有规定基本雪压的附近地区进行对比分析确定。

(3)当地没有雪压资料时可通过对气象和地形条件的分析，并参照规范规定的全国基本雪压分布图上的等压线用插入法确定。

风荷载：是指垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下式计算：
0w w z s z k μμβ= (3-1)
其中：k w ——风荷载标准值； z β——Z 高度处的风振系数； s μ——风荷载体形系数； z μ——风压高度变化系数； 0w ——基本风压，2/m kN 。

《建筑结构荷载规范》规定，基本风压0w 。

是以当地比较空旷平坦地面上离地10m 高，统计所得的50年一遇10min 平均最大风速v 。

(s/m)为标准，按0w =1600/2
0ν确定的风压值，全国各地区的基本风压值可按《建筑结构荷载规范》的全国基本风压分布图的规定采用，但不得小于0.25 2/m kN 规范规定，对于高度大于3m0且高宽比大于1.5的房屋结构，以及基本自振周期大于0.25s 的塔架、桅杆、烟囱等高耸结构，应采用凤振系数来考虑风压脉动的影响[11]。

对于本文的轻型门式刚架结构不在上述规定的范围之内，可取风振系数z β=1。

风压高度变化系数是根据地面的粗糙度类别来确定的，地面粗糙度可分为A 、B 、C 、D 四类[12]：
A 类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地.区；
B 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中、小城镇和大城市郊区；
C 类指有密集建筑群的城市市区：
D 类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。