门式刚架轻型房屋钢结构设计探究

河南建材20181
2023年第7期
装备维修技术,2021,2(32):1-7.
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门式刚架轻型房屋钢结构设计探究
杨勇
山西省安装集团股份有限公司（030012）
摘要:随着我国钢结构工艺水平的提高，钢构件的质量与产量得到了很大提升。

在此背景下，门式刚架结构在我国快速发展。

文章主要从设计及应用方面讨论了门式刚架的特点及其需要注意的问题，并提出适当的建议。

关键词:门式刚架；轻型房屋；钢结构；设计
与传统的钢筋混凝土结构相比，轻型门式刚架结构用钢量少、自重轻、安装速度快、更容易获得大空间，这些优势吸引着结构工程师在此领域进行不断的探索和深化。

此外，门式刚架在工厂制作后运输至现场进行拼接，施工人员数量较少，更利于施工单位进行成本及质量把控。

1门式刚架结构的特点
1.1施工周期短
一般情况下，轻型门式刚架的相关构件需在工厂制作完成，运输至现场进行组装后投入使用。

得益于门式刚架结构的受力特性，其梁柱等构件相对于其他结构尺寸更小，重量更轻，施工方便快捷，施工速度大幅提升。

采用门式刚架结构有利于施工单位完成项目进度目标[1-3]。

1.2使用空间大
门式刚架结构单跨跨度12～48m。

在实际工程中，有许多跨度超过48m的案例，如我国的首都机场机修库，跨度达到72m，高度达到28m。

大空间结构更加符合现代建筑的发展趋势，门式刚架得到施工单位的青睐，带来的经济效益也十分显著。

1.3便于安装拆卸，可循环使用
门式刚架结构房屋如果在施工或后续使用中出现问题，可以拆卸相关构件重新进行安装。

这就意味着在建设的过程中，许多建筑材料可以循环使用，在一定程度上提升了材料的利用效率，降低了对环境的不利影响。

这种建筑方式也更加符合我国大力发展绿色建筑的要求。

2门式刚架厂房结构设计要点
2.1结构布置
通常情况下，门式刚架结构的布置形式是根据建筑使用情况和工艺要求确定的。

经过大量工程的论证，经济效益最为显著的跨度为21～36m。

在平面柱网布置中，将柱距布置到6～9m时，结构最为合理。

与此同时，跨度越大，柱网间距也应相应增大，两者成正比关系。

将门式刚架结构跨度与柱距之比控制在3～5m最合理。

此外，对结构高度也应提出限制要求，无桥式吊车的门式刚架高度控制在4～9m，有桥式吊车的高度不超12m，在此范围内门式刚架结构各构件截面最经济合理。

为了保证屋面有较为通畅的排水能力，屋面坡度不得小于5%。

在满足排水要求的前提下，尽可能减小坡度可有效减小风荷载对建筑的不利影响，使结构整体满足稳定性的要求。

2.2活荷载取值
门式刚架结构中活荷载取值的准确性直接影响结构的安全性及经济性。

设计人员在活荷载取值上一定要理解规范意图，严格按照规范取值。

《建筑结构荷载规范》规定，“屋面均布活荷载，可不与雪荷载和风荷载同时组合”。

对此条，有些人员理解活载取值为max（均布活荷载，雪荷载）与风组合；有些人员理解为活载取值为max（屋面活荷载，雪荷载+风荷载）。

设计界对此没有定论，遇到此类情况，建议取大值，保证结构安全。

同时，要注意当受荷面积大于60m2，活载可折减。

2.3支撑设计
支撑系统是保证结构稳定的重要手段，也是上部荷载传递的主要路径。

结构设计人员要对门式刚架结构的支撑系统高度重视，采取有效手段保证支撑系统正常工作。

常规的支撑构件包括水平支撑及柱间支撑。

研究表明，水平支撑及柱间支撑对传递
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消化横向荷载，尤其是风荷载十分有效，可保证结构整体的稳定性。

要合理选择支撑结构，保证支撑与水平面夹角为30°～60°，此角度传递效果较好。

若厂房柱较高，可设置双层支撑，同时设置水平系杆用以减小钢柱平面外计算长度。

2.4隅撑设计
考虑到在屋面钢梁负弯矩区段，梁下翼缘受压会可能引起失稳。

在设计中，应在此区域设置隅撑提供侧向力，防止钢梁侧向失稳破坏。

在设计中，一般采取“一步一隔”的方式布置，即每间隔一根檩条布置一对隅撑。

在隅撑设计中要注意一下几点:钢梁截面较大，应根据隅撑受力情况，算出其受力大小，合理选择支撑截面；
与隅撑相连的檩条截面不宜过小，如檩条过薄无法起到支撑隅撑的效果。

在设计中要选用截面厚度大于2mm的檩条，并通过计算验证后采用；
设置隅撑钢梁平面外计算长度的取值是否可按照隅撑实际距离取值，目前尚无统一定论。

为保证结构安全，建议按照屋面支撑间距取值，此时，布置隅撑的作用是为了和屋面支撑系统形成保证钢梁面外稳定的双保险。

2.5柱脚的抗风设计
在工程中，存在大风下钢架柱连根拔起的情况，其主要原因并不是荷载计算错误或者截面选择过小，而是忽略了横向风荷载通过柱间支撑传给基础，基础没有设置有效措施抵抗横向荷载。

尤其是房屋纵向尺寸不大而横向间距较大的情况下，只有少量钢架柱通过柱脚锚栓底板与基础的摩擦力抵抗横线荷载是不够的。

因此，需做好钢架柱的抗风措施。

一般情况下，在柱脚底板下设置抗剪键可有效抵抗横向风荷载。

2.6基础设计
门式刚架结构自身重量小，产生的基底净反力也较小，而水平荷载往往是决定基础大小的主要因素，应认真核算。

考虑到地面堆载及机械等造成的基础偏心，在设计基础尺寸时宜将基础偏心因素考虑在内。

与其他结构形式基础不同，门式刚架结构的基础往往埋深较小，其对厂房的实际受力也会造成不利影响，在设计中，可适当增加埋深减小影响。

2.7门式刚架结构的抗震设计
结构的抗震设计应从整体稳定性出发，并对结构各构件的分布及数量进行适当调整，用以保证结构质量分布的均匀性，避免产生应力缺陷。

支撑的设置不仅可以提升结构的承载能力和稳定性，同时
对降低材料用量，简化结构也起到重要作用。

考虑
到地震作用对门式刚架结构的破坏主要是连接节
点处在反复荷载作用下发生疲劳导致，在设计中可
利用结构塑性变形的能力消耗地震能量。

3设计实例分析
某工业厂房为单层双跨轻型门式刚架结构，长
度80m，宽度40m，檐口标高6.0m，50年一遇的基
本风压为0.35kN/m2,屋面及墙面均采用压型钢板，
不设吊车，设计使用年限50年。

因工艺要求，需抽
取部分柱子以获取大空间。

3.1结构布置
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022—2015）规定，刚架柱距宜为6m、7.5m、9m。

大量工程实践表明，随着柱距的增大，仅刚架而言，
其用钢量是减小的。

当柱距大到一定程度时，其刚
架用钢量下降较慢，但是其围护结构例檩条、墙梁
等的用钢量增大。

门刚结构的用钢量随着柱距的增
大，有着先降低再升高的趋势。

为节省钢材，降低造
价，需寻求最优柱距。

本工程与建筑协商后初步设计两个方案，纵向
柱距分别为6m和7.5m，经过对主刚架用钢量、檩
条用钢量及墙梁用钢量的综合对比，得出7.5m柱
距方案要优于6.0m柱距方案，且7.5m方案基础
数量也更少。

3.2抽柱受力分析
为满足工艺布置的需要，厂房局部需设大空
间。

因此在结构布置时，局部没有设置中柱。

此时，
结构的计算模型分为，普通榀刚架和抽柱榀刚架两
种。

因抽柱榀刚架的侧向刚度明显降低，为保证各
刚架的侧向位移趋于均衡，可设置纵向水平支撑将
抽柱榀刚架与相邻钢架相连（如图1所示）。

当设置
纵向支撑后，横向水平荷载趋于按各自的侧向刚度
分配。

此时可按平面结构体系进行计算，纵向支撑
串联在一起的刚架可作为一个计算单元。

以图1为
例，4轴交B轴处抽取了中柱。

在计算4轴时，可将
其与相邻无抽柱的3轴刚架组合计算。

每一区域的
荷载由各榀刚架承担。

因抽柱设置托梁的支座反力
直接加在柱顶，其横向荷载按照各榀刚架的刚度进
行分配[4-6]。

此时可计算出各榀刚架的内力和位移。

设
计
与
施
工
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图1抽柱处局部纵向水平支撑布置
3.3隅撑设置
对于门式刚架结构中的斜梁而言，规范规定隅撑支撑的梁，其计算长度不小于2倍隅撑间距。

有些设计人员误以为刚架斜梁的计算长度最小可取2倍隅撑间距，此种认识是错误的，没有考虑到梁的下翼缘强度不同，隅撑并不能给予斜梁有力的支撑，仅仅只能起到一个弹性支座的效果。

所以，斜梁的平面外计算长度应根据规范要求取侧向支撑点的距离。

钢柱为压弯构件。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中有关斜梁设隅撑是根据纯弯构件理论推导的，对钢柱不适用。

但是这不代表钢柱可以不设置隅撑。

大量工程经验表明，隅撑和墙梁的协同工作对减少钢柱平面外计算长度是有效果的，只是现阶段没有足够的理论依据去证明，规范也没有给出带隅撑柱的计算公式。

考虑到钢柱是门式刚架结构中最重要的结构构件，其应有一定的安全冗余度，设置隅撑是必要的。

3.4防火设计
钢结构的优越性能在现代建筑中发挥着越来越重要的作用，但是其抗火性能差的缺点在设计中留下了隐患。

当温度到达500℃，钢结构构件的强度下降50%左右，其力学性能，如屈服点、弹性模量、抗压强度都迅速下降。

在火灾发生时，钢结构构件一般支撑不了10min随即变形倒塌[7]。

因此，要对钢结构采取有效措施，在火灾发生时，可延缓其破坏倒塌，为消防救援争取宝贵时间。

本工业厂房耐火等级为二级。

根据规范规定，柱及柱间支撑的耐火极限为2h，梁的耐火极限为1.5h。

但是规范对檩条的耐火极限没有作出规定。

对于此情况，可以分两种情况讨论。

第一种情况，檩条用于支撑屋面板。

此种情况下，在火灾发生时，即使檩条破坏，也不会造成房屋倒塌，不应对檩条耐火极限作出要求。

第二种情况，檩条除了用于支撑屋面板，还兼作纵向系杆，对结构提供侧向支撑作用。

此时，若火灾发生，檩条的破坏会导致结构整体侧向稳定性减弱，容易发生倒塌。

对此，檩条应视为结构的一部分，其耐火极限应与屋盖支撑及系杆同等对待。

在利用软件对刚架模型进行抗火验算时，中间榀和边榀的计算所得等效热阻及计算所需保护层厚度不同，边榀偏大。

基于偏安全考虑，均取边榀的数据作为抗火结果进行设计。

另外，对于节点处，要基于“强节点弱构件”的设计理念，规定其防火保护要求和耐火性能不应低于所连接构件的最大涂料厚度[8]。

4结语
门式刚架结构作为我国主要的建筑单体，随着理论水平的提高及实践操作的普及，其发展也日新月异。

设计人员在此类结构的设计中，要注重创新和总结，确保工程质量稳步提升，推动此种结构在我国的进一步发展。

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设计与施工80。