钢结构快速入门教材(第四章门式刚架)

第四章门式刚架第一节结构体系门式刚架是二战期间迅速发展起来的，由相互依存的构件组成统一体，即由梁、柱、檩条、墙梁支撑和金属波形板材设计成协同工作的金属预制装配的建筑体系。

战后被广泛采用，我国六十年代中期开始推广，并在援外工程中使用，取得良好的国际赞同。

由于十年动乱终止了这种建筑体系的发展，改革开放以来，特别是民营企业的蓬勃发展，门式刚架结构体系据不完全统计已建了800万m2，而且每年以100万m2的速度递增。

这种结构体系设计经济，安装快捷，造价低廉，装卸方便，维护费用低，单一供货，为业主认可。

我们萧山成为钢结构之乡，竞争十分激烈，萧山的钢结构应由价位的竞争逐步转向价值的竞争，就是创造精品钢结构，扩展使用范围，建造独具建筑风格的金属建筑体系，使钢结构应与时俱进，演变及发展是同时进行的。

一、结构概念设计1.三维设计(方案阶段)——（详见附图三十四）假定是整体性，并具有总体性能。

将结构形式作为总体分析。

1)建筑功能是否满足使用要求；2)高度、跨度是否合理，是否经济；3)在垂直和水平荷载作用下，是否安全可靠；4)房屋的安全等级，抗震等级。

2.二维设计——（详见附图三十五）确定基本的水平和竖向分体系。

建立关键构件的相互关系。

3.一维设计(平面、立体—施工图阶段)——（详见附图三十六）1)选择一个合理的结构体系，使传力途径明确合理。

2)选择合理的计算方法，同时采取相应的构造措施，保证计算模型(建模)与实际情况符合。

3)增加结构刚度，减少用钢量，且有很好的经济技术指标。

4)工厂化生产，全预制装配。

第二节门式刚架的分类一、实腹式门式刚架——（详见附图三十七）采用H型钢组成的梁柱构件的截面形状，按结构受力的弯矩包络图来确定，使实腹式门式刚架达到经济，轻巧，美观的效果。

工厂化生产水平较高，可以达到工地全装配化，缩短工期。

在同等条件与普通钢结构可节约钢材10%～20%。

二、格构式门式钢架——（详见附图三十八）采用型钢或钢管组成的门式刚架，同样可达到更为经济，轻巧，美观的效果。

1964年以后我国在援外工程中大量使用。

但是人工焊接工程量较大，严格控制焊接变形。

焊接变形校正较复杂。

三、木结构门式钢架美国设计的海军俱乐部采用板梢结构的门式刚架，在建筑造型和使用功能上都具有中世纪爱尔兰的航海建筑风格与门式刚架完美结构的创作。

四、结构安全等级及设计基准期新修订的规范为统一各类材料的建筑结构可靠度的基本原则和方法，使设计符合技术先进，经济合理，安全适用，为确保工程质量且与国际通用贯例，结合国情制定了建筑结构的可靠度标准。

设计使用年限分类这里要特别提到的是在正常使用，正常维护的条件下，一般门式刚架结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。

第三节实腹式门式刚架一、门式刚架的特点变截面刚架的梁柱形式一方面是改变腹板的高度以适应结构弯矩内力分布规律，另一方面允许腹板局部失稳，并利用腹板屈曲后的强度，而且只要满足翼缘腹板的宽厚比情况下，允许相邻各段构件可以采用变翼缘宽度或厚度，变腹板厚度的较佳变截面杆件。

抗风柱可按摆柱设计这一系列的优化设计方法，以达到节约钢材，降低造价的目的。

在制造方面达到标准化，工厂化生产，加工制造速度较快，在安装上可以全部采用预制装配化，且重量轻，毋需要大吨位的起重机，又没有高难度复杂的技术，一般安装工，只要短期训就能熟练上岗。

这是一种轻型，经济，高效，美观的建筑结构，适用范围又很广泛，如工业厂房，中小型体育场、馆，医院，超市，商场，民居，宿舍，仓库，储运设施等。

二、实腹式门式刚架的经济性及评价1.轻钢结构方案经济性评价的必要性传统建筑主要以水泥、钢筋、砖、瓦、灰、砂、石为主要原料，其自重大、基础处理要求高，施工周期受混凝土自然凝固及施工季节限制而较长。

相对而言，以轻钢结构自重小，基础处理要求低，制作阶段为大规模工厂化预制加工，现场安装周期短，不受自然气候约束，从而大大缩短了工期。

在适用性上，以轻钢结构已涵盖了工业厂房、超级市场、展览馆、体育馆、飞机库、仓库、别墅、建筑物架层，具有布局灵活、造型美观等特点。

相比传统建筑，轻钢结构更应在经济上突现优势才显示其作为新型建筑理念替代传统方案的活力。

选择合理建筑方案，可首先保证生产工艺要求，其次从经济上做到合理用料，显示出轻钢结构的优势。

现对有代表性几种轻钢结构在不同方案的主材用量和经济性，以供从事轻钢结构的有关技术人员参考。

2.不同方案下单方造价比较为了便于比较，同时不失一般性，以下诸方案均按北京地区30年一遇的风荷载（0.35kn/m2）、雪压（0.30kn/m2），吊挂、吊车荷载暂不考虑，建筑物长90m ,坎墙壁1.20m，柱距7.50m,门窗暂不考虑，屋面不计采光，有组织排水，屋面、墙面围护均按50mm厚轻质玻璃棉保温复合板，为便于不同跨度方案比较，钢材型号均选用Q235（因为实际设计中按照业主的要求，坎墙标高不一、门窗挡次有优劣、屋面采光要求更是各异，故需统一前提条件）。

(1)单跨无中柱方案（方案Ⅰ）这种方案，变截面柱及屋面梁，最大限度地发挥了材料的力学性能。

柱基础铰接，无支座弯矩，大大降低了基础的费用。

屋面梁坡度小，为1/10～1/24。

节省非使用空间的采暖和保温费用。

常温屋面跨度15～36m，最大跨度可达60m，基本上满足各种使用类型建筑物的需要，是最经济的设计。

按跨度15m举例：主钢量(含钢架及支撑系统)约18.50m2(90m×15m=1350 m2)中，折合10.65kg/ m2。

围护部分共计2745.22 m2。

其余附属部件在此不作比较。

按目前市场价格，主钢结构5250元/t、轻钢檩条4200元/t、围护部分综合价格170元/ m2考虑，该方案单位造价约487.55元/ m2。

不同跨度数值的比较见下表。

从方案Ⅰ表和（详见附图三十九）图形分析中可以看出，在主钢结构用量上，单跨双坡净空的门式刚架方案，跨度24m的方案比较节省，而从单方造价上看，36m是为经济之选，但跨度30m以上的刚架规范中对挠度要求较高，这一经济最优方案的提出受到檩条含量、围护部分的因素干挠，最优方案应该是比之跨度较小者。

方案Ⅰ经济性比较(2)双跨双坡有中柱方案（方案Ⅱ）该方案增加了内柱的设计，比净空结构设计计时挠度、用钢量的限制小，故可达更大的屋面跨度。

一般来说是更为经济的结构形式。

方案Ⅱ经济比较仍按主钢量、次钢檩条、围护系统总和（室内隔墙不计）三因素分析不同跨度对单位造价的影响。

方案Ⅱ表和（详见附图）中相同跨度的方案对比，可看出在加上一内柱后，主钢用量明显减少，在单位经济造价上亦有不少回旋的余地。

这一方案适用于跨度较大且加上内柱后不影响工艺要求的情况。

方案Ⅱ的各跨度主材用量与单方造价统计。

(3)多中柱方案（方案Ⅲ）由于采用多内柱设计，使其可达到更大的屋面跨度，该结构方案适用于50～60m以上的情况，相对于大跨度来说一般是更经济的结构形式。

以下仅对跨度60、84、120m三种情形作一对比：方案Ⅲ经济性比较从方案Ⅲ表看出，虽跨度较大且各方案相差悬殊，但其主钢量与单方造价相比相差并不大。

说明采用多中柱方案有效地抵消了挠度对大跨度钢结构的限制，使得总跨度可以做到60m 以上。

第四节 实腹式门式刚架的设计一、计算程序实腹式门式刚架的计算程序很多，目前在浙江省和上海地区的各设计院大部分采用同济大学的3D3S 或PKPM 中的STS 程序进行设计。

随着钢结构设计规范、轻型房屋钢结构技术规程、冷薄壁型钢结构技术规范和建筑钢结构焊接技术规程的新规范的问世，上述这些程序版本都要相应升级，才能满足新规范的设计要示。

二、温度伸缩缝最大间距的规定当门式刚架跨度m l 36≤，边柱高m h 0.9≤时，纵向温度伸缩缝间距不应大于300m 。

横向温度伸缩缝间距不应大于150m 。

三、柱顶位移值控制注：1.H 为自基础顶面至柱的柱顶的总高度；2.对室内装修要求较高的民用建筑多层框架结构，层间相对位移宜适当减小；无墙壁的多层框架结构，层间相对位移可适当放宽。

四、挠度的控制第五节 柱脚的构造与计算柱脚设计时分为铰接和刚按两种，但在构造上要达到理想的铰接和理想的刚接，是难以实现的，根据不同形式有五种约束条件，其连接节点的特性曲线（详见附四十）：有吊车的厂房或对柱顶位移要求较高的结构刚接柱脚采用OAB 的曲线，否则可采用OGH 或EF 曲线，铰接柱脚为OIJ 曲线。

一、铰接柱脚(1)铰接柱脚结构效应长期以来对柱脚铰接认为可以自动转动，近期研究和试验成果绕强轴由相当大的转动约束，作用有一定的嵌固效应。

（详见附图四十一）。

(2)柱脚底板尺寸的确定无需加肋时，()tp b A 39.0+=α（详见附图四十二）。

需加肋时，()tp b A 375.0+=α（详见附图四十三）。

二、刚接柱脚(1)柱脚的构造（详见附图四十四）。

(2)柱脚底板尺寸的确定（详见附图四十五）。

tp ——底板的厚度底板宽度c t b B p 22++=tp 靴板厚度 C 边距一般取20～50底板厚度过去一般取20mm ～30mm ，新规范由计算决定，建议mm tp 16≥为宜。

三、钢柱脚与钢砼基础的连接构造与计算门式刚架的柱脚无论是铰接或刚接均属于轻型柱脚。

柱脚由底板，靴板和加劲肋通过锚栓与钢砼基础连成整体，将柱脚的反力有效的传递给钢柱基础，以达到共同工作，保证门式刚架有一稳固的支承。

1．锚栓与钢砼基础的连接构造（详见附图四十六）。

锚栓离砼基础边缘距离应≥4d 及150，钢柱柱脚底板离砼基础边缘应≥100。

2．基础高度及地脚螺栓形式1） 钢柱基础（无短柱的基础）高度H ，应按冲切计算确定，并应满足mm l H 100+≥，l 为地脚螺栓的埋置深度。

2） 地脚螺栓的直径小于36mm 时，应采用直钩式，其埋置深度为25d ；直径大于42mm 时，宜采用加焊锚固钢板，并埋置深度为15d 。

3）地脚螺栓可按表直接选用。

为了保证钢柱在就位后便于校正，在柱底板下设调节螺母，（详见附图四十七）。

四、柱脚与钢砼基础连接的几种做法1．钢砼基础高出地面150mm ～200mm ，与室内场脚线等高，（详见附图四十八）。

优点：提高钢柱柱脚的抗锈蚀能力。

缺点：室内一个钢砼基础墩子露出地面影响使用面积。

2．基本上柱脚底板在室内地坪上有两种做法：第一种钢柱底板与地面齐平，（详见附图四十九）。

优点：钢砼基础不占用室内使用面积。

缺点：钢柱柱脚要加强维护，以防钢柱锈蚀。

第二种钢柱底板下边线与地面齐平，（详见附图五十）。

优点：钢柱柱脚与底板之间的连接焊缝和钢柱柱脚的抗锈能力较好。

缺点：钢柱柱脚的底板露出室内地面上。

3．钢柱柱脚埋入地面，（详见附图五十一）。

设计时柱子的计算长度取值问题，如果柱子的计算长度从柱项到±0.000，则地面砼对钢柱的约束作用达不到预期效应；如果柱子的计算长度从柱顶到柱底板，则地面砼对柱有一定的约束作用，柱子的线刚度加大，柱顶的弯距分配就加大，使梁与柱的连接强度有所降低。