门式刚架轻型房屋钢结构设计探讨

门式刚架轻型房屋钢结构设计探讨【摘要】门式刚架是典型的轻型钢结构，它具有节省材料、施工周期短等优点，因而也是目前国内应用最广泛的轻型钢结构。

门式刚架的设计与施工与普通钢结构相比既有一致性，门式刚架的特点主要在于其节点方面，本文总结了门式刚架设计中一些设计要点，提出来供广大设计人员参考。

【关键词】轻型钢结构；门式刚架；设计要点一.门式刚架的特点：门式刚架轻型结构是一个系统工程，它包括设计、加工制造和施工安装三个过程；包含的具体内容有：主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。

主结构系统包括主刚架和支撑体系。

支撑体系包括水平支撑、柱间支撑和刚性系杆等部分。

由于支撑体系采用的构件大多为圆钢、角钢和钢管等，构件简单、制作方便，且支撑体系节点多为标准节点，因此轻型钢结构可以在工厂批量生产，现场按要求拼装形成。

能有效地利用材料，构件尺寸小，自重轻，抗震性能好，施工安装方便，建设周期短，能够形成大空间、大跨度，具有外表美观，适应性强，造价低，易维护等特点。

二．屋面活荷载：《荷载规范》表4.3.1规定，不上人屋面均布活荷载标准值0.5kn/m2,还注明对不同结构应按有关设计规范的规定作0.20kn/m2的增减。

对此《钢规》补充如下：对支承轻屋面的构件或结构（檩条、屋架、框架等），当仅有一个可变荷载且受荷载水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值应取为0.3kn/m2。

《冷规》大体与此相同。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（cecs102:2002）对此补充为：对受荷水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小0.3 kn/m2。

与前二者差别较大。

对问题的处理原则是：当国家标准与行业标准的规定不一致时，应按国家标准执行；当不同国家标准之间的规定不一致时，应按最新颁布的国家标准执行。

一般行业标准应严于国家标准。

按此原则以《钢规》颁布最晚，又列为强条，文字也明确，按《钢规》执行是合理0.3kn/m2。

合法的，且与《门规》“不小于”也不矛盾，而且《荷规》对轻屋面从0.3kn/m2提高到0.5kn/m2，其理由是统一处理，而不是安全因素不足三．门式刚架的结构系统：门式刚架轻型结构的主刚架包括横向刚架（包括中部和端部刚架）、支撑体系等；次结构包括屋面檩条和墙面檩条等；围护结构包括屋面板和墙板。

主刚架作为建筑结构的骨架，支承整个建筑结构系统，承受和传递着各类荷载。

根据跨度、柱距、高度及荷载的不同，确定主钢架梁、柱截面尺寸。

屋面檩条和墙面檩条既是围护材料的支承结构，又为主结构梁柱提供了部分侧向支撑作用，构成了轻型钢建筑的次结构。

屋面板和墙面板起整个结构的围护和封闭作用，由于蒙皮效应事实上也增加了轻型钢建筑的整体刚度。

外部荷载直接作用在围护结构上。

其中，竖向和横向荷载通过次结构传递到主结构的横向门式刚架上，依靠门式刚架的自身刚度抵抗外部作用。

纵向风荷载通过屋面和墙面支撑传递到基础上；支撑体系是使每个温度区段或分期建设的区段建筑能构成稳定的空间结构骨架。

横向刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。

端板竖放适用于局部等截面柱。

当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点受力的有力作用。

如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。

端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。

横向刚架的梁、柱一般采用变截面或等截面的实腹式焊接h 型截面或轧制h 型截面。

变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形形状，必要时也可改变腹板的厚度。

端部刚架由端斜梁、支撑端斜梁的构架柱及墙架檩条组成，构架柱的上下端部铰接，并且与端斜梁平接，墙架檩条也和构架柱平接，这样可以提高柱子的侧向稳定性，同时也给建筑提供了简洁的外观。

山墙构架可以由冷弯薄壁c 型钢组成，外观轻便且节省钢材，同时由于与框架平接的墙架檩条和墙面板的蒙皮效应的作用，使这种的山墙构架端墙也具有比较好平面内刚度，蒙皮作用已被实践证明具有足够的刚度，能够有效地抵抗作用在靠近端墙附近的边墙上的横向风荷载。

构架柱在设计时应满足同时能够抵抗竖向荷载和水平荷载的要求。

由于构架柱的间距较小，单根构件分担的荷载比较小，因此可以使用比较小的薄壁薄壁截面。

采用山墙构架一般要求避免在山墙端开间设置支撑，这是由于山墙梁截面尺寸和基本刚架梁相比尺寸太小，同时山墙斜梁在山墙柱处不连续从而导致的支撑连接节点构造困难。

所以在采用山墙构架时，通常将支撑布置在第二开间以避免上述的连接构造困难，然而这种情况下必须在第一开间和构架柱相应的位置布置刚性系杆，以便将山墙构架柱的风荷载传递到支撑开间，刚性系杆增加的用钢量和山墙梁截面减小而降低的用钢量大概会持平，因此总体上采用轻便的山墙构架并不能减少用钢量。

轻型钢结构建筑物沿宽度方向的横向稳定性，是通过设计适当刚度的框架来抵抗所承受到的横向荷载而保证的。

由于建筑物在长度方向的纵向结构刚度较弱，于是需要沿建筑物的纵向设置支撑以保证其纵向稳定性。

支撑体系在门式刚架轻钢结构具有十分重要的作用，主要体现在以下几个方面：（1）将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构（2）为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点，减少平面外的计算长度（3）明确合理、简捷的传递风力，温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载从其作用点传到柱基础最后传到地基。

轻型钢结构的标准支撑系统有斜交叉支撑、门架支撑和柱脚绕弱轴抗弯固接的刚接柱支撑。

交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种，一般情况下采用柔性支撑，有吊车的情况下采用刚性支撑。

由于建筑功能和外观的要求，在某些开间内不能设置交叉支撑，这时可以设置门架支撑。

支撑结构及其与之相连的两榀主刚架形成了一个完全的稳定开间，在施工或使用过程中，它都能通过屋面檩条或系杆为其余各榀刚架提供最基本的纵向稳定保障。

屋面檩条、墙檩和檐口檩条构成轻型钢结构建筑的次结构系统。

一方面，它们可以支承屋面板和墙面板，将外部荷载传递给主结构；另一方面，它们可以抵抗作用在结构上的部分纵向荷载，比如纵向的风荷载，地震作用等；此外，它们也作为主结构的受压翼缘支撑而成为结构纵向支撑体系的一部分。

檩条是构成屋面水平支撑系统的主要部分；墙檩则是墙面支撑系统中的重要构件；檐口檩条位于侧墙和屋面的接口处，对屋面和墙面都起到支撑的作用。

墙面檩条，主要承担墙体自重和作用于墙上的水平荷载（风荷载），并将其间接传给主体结构。

屋面檩条，承担屋面荷载，并将其传给主体结构。

檩条还通过螺栓与每榀刚架连接起来，与墙面檩条一起与刚架形成空间结构。

由于屋面檩条和墙面檩条之间都是由螺栓连接的，连接点近似于铰接，又由于屋面檩条和墙面檩条的长细比都较大，在平行于房屋纵向荷载的作用下，其传力刚度有限，所以有必要在屋面的各刚架之间设置一定数量的刚性系杆。

四．柱脚的设计门式刚架中柱脚与基础宜采用铰接，当设有桥式吊车、檐口标高较高或刚度要求较高时，柱脚与基础宜采用刚接。

铰接柱脚将柱的轴力和剪力传给基础。

柱的轴向压力通过底板直接传给基础，拉力由底板经锚栓传给基础。

刚接柱脚将柱的轴力、剪力和弯距通过柱脚向基础传递，抗震结构的这种柱脚应按抗震连接的要求设计。

接近完全固定的柱脚，宜采用外包式柱脚和埋入式柱脚。

外露式刚接柱脚实际上是半刚接的，按固定柱脚考虑的外露式柱脚，宜采用埋深较大锚栓。

一般情况下，柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求，则须设置抗剪键。

对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，上部结构传至柱脚的内力较小，一般以独立基础为主。

若地质条件较差，可考虑采用条形基础，遇到不良地质情况，可考虑采用桩基础。

一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。

对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。

另外，在风荷载较大的情况下，特别对于一些敞开和半敞开的结构，轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导致基础上拔破坏。

为了防止这些破坏的发生，最经济有效的办法是增加基础埋深，对于轻钢结构基础，还须预埋锚栓（也称地脚螺栓），用于上部结构和基础的连接，若锚栓离混凝土基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，因此，锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm，若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致基础破坏，所以规范也规定了锚栓埋入长度。

五．防腐与防火设计钢材耐腐蚀性和耐修蚀性差，钢结构的腐蚀不仅造成了经济损失，也给结构的安全带来了隐患，由于钢腐蚀而导致的事故屡见不鲜。

钢结构的防腐包括两个步骤：（1）钢材表面的处理。

钢材表面污物会严重影响涂料在钢材表面的附着力，并使漆膜下的锈蚀继续扩展，导致涂层失效或破坏，因此，钢材表面处理质量的好坏对涂层的防护效果及寿命的影响，甚至比涂料本身品种性能差异的影响更大，据统计，钢材的表面处理占防腐涂装各因素对涂层质量影响的一半左右（2）在钢结构表面刷防腐涂料。

防腐涂料是一种含油或不含油的胶体溶液，将它涂敷在钢材表面，可结成一层薄膜来保护钢结构，防腐涂料一般由底漆和面漆组成，底漆的功能是使漆膜与基层、面漆结合牢固，面漆的主要功能是保护下层底漆。

常见防腐涂料底漆有富锌底漆和环氧铁红底漆，常见面漆有环氧漆、氯化橡胶漆、氯磺化聚乙烯漆等。

钢结构耐火性能差，其耐火极限仅为15~20min，根据《建筑设计防火规范》，建筑构件在耐火等级为二级时的耐火极限，对于支撑多层的柱为2.5h，梁为1.5h，楼板为1.0h，因此，必须对钢结构构件表面采取防火措施，常见防火措施为：将耐火轻质板作为防火外包层；在构件外围浇筑混凝土或砌筑耐火砖；涂抹防火涂料。

一般民用建筑及大型公共建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火。

防火涂料可分为超薄型、薄型、厚型三种，板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料，柱采用厚型防火涂料。

但现阶段防火涂料价格较贵，因此在普通钢结构中往往采用在梁柱表面浇筑细石混凝土的办法，这时柱表面混凝土厚度为50mm，梁表面混凝土厚度为25mm，且须在混凝土内设置与钢构件相连接的钢丝网，这样可以有效降低造价。

六．结束语重视钢结构和扩大钢结构的使用范围是钢铁工业发达国家的重要技术政策。

扩大钢结构的使用范围，发展应用广泛的轻型钢结构，可加快我国经济建设速度，促进建筑业的现代化，并为钢材消费提供客观的市场的开发与占领，我们应不断提高研究开发能力，掌握国外先进技术，积极参与国内外市场竞争，开拓钢结构市场，在竞争中求发展，我国钢结构行业的全面发展指日可待。