(完整版)浅谈门式刚架的发展概况及工程应用毕业设计

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本科生毕业论文（设计）题目：浅谈门式刚架的发展概况及工程应用

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内容摘要

目前,轻型门式刚架结构因其用钢量少,结构自重轻,施工速度快,综合经济效益高等优点,得到了迅猛的发展。往往在实际结构中,轻型门式刚架的构件与不在同一平面内的其他构件相联系,形成了三维的空间传力体系。但现有的门式刚架计算基本上以平面模型为主,难以考虑结构的空间共同作用。因此,本文分别对竖向荷载和水平荷载作用下轻型门式刚架的空间共同工作特性进行了分析研究,对影响轻钢门式刚架空间共同作用的构件选取进行了优化,以期在设计和应用中达到科学经济的目的。

关键词：门式钢架；发展；应用

目录

内容摘要........................................................................................................................... 引言.. (1)

1 门式刚架的发展概况 (2)

1.1 适用范围 (2)

1.2 门式刚架的发展现状 (2)

2 门式刚架的主要结构特点 (7)

2.1 结构优点 (7)

2.2 力学模型 (7)

2.3 屋面支撑设计 (11)

3 门式刚架的主要设计要点 (12)

3.1 设计与施工要点 (12)

3.1.1 设计 (12)

3.1.2 施工 (12)

3.2 屋面活荷载的取值和布置 (13)

3.3 合理跨度的确定 (13)

3.4 刚架最优间距的确定 (13)

3.5 柱脚的抗风措施 (14)

3.6檩条和墙梁的布置 (14)

3.7支撑和刚性系杆的布置 (15)

4 门式刚架的主要工程应用 (16)

4.1 门式刚架的结构形式和设计原则 (16)

4.2 门式刚架应用工程实例 (16)

4.2.1结构选型和布置 (16)

4.2.2荷载的计算 (17)

4.2.3节点设计和施工安装 (34)

4.3 门式刚架发展和应用前景 (39)

5 常见的技术问题及解决办法 (40)

5.1 节点问题 (40)

5.2 构件的加工制作 (40)

5.3 预埋件（锚栓）问题现象 (41)

5.4 锚栓不垂直现象 (41)

5.5 锚栓连接问题现象 (41)

5.6 现场焊缝现象 (41)

5.7 柱垂直偏差过大 (42)

5.8构件的变形问题 (42)

6 结论与展望 (44)

参考文献 (46)

引言

钢结构通常是由型钢和钢板等制成的梁、析架、柱、板等构件组成的工程结构。各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接,有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌体结构都是工程结构的不同分支。它按行业通常分为轻型钢结构!高层钢结构!住宅钢结构!空间钢结构和桥梁钢结构五大子类。

钢结构体系具有材质均匀、强度高、塑性韧性好、自重轻、密封性好、安装快捷、施工周期短、投资回收快、环境污染少等优点。与钢筋混凝土结构相比,更具有在，高、大、轻。三个方面发展的独特优势。在全球范围内,特别是发达国家和地区,钢结构在建筑工程领域中得到了合理、广泛的应用。钢结构的发展与应用和当时的钢铁冶炼技术和钢铁产量有着密切地关系。我国古代钢铁冶炼技术在世界处于领先地位,因此我国钢结构有着悠久的历史。公元前200多年的秦始皇时代就己用生铁建造桥墩,公元60年左右汉明帝时代就建造了铁链悬桥(兰津桥),在宋朝建造了13层高的湖北荆州玉泉寺铁塔。在西方随着18世纪工业革命的兴起,冶炼出了抗拉性能好于生铁的熟铁;19世纪20-30年代出现了铆钉,之后又出现铆接熟铁结构,使桥梁和其它建筑的跨度得以增大。

1 门式刚架的发展概况

1.1 适用范围

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》公布以来，该类工程发展迅猛。目前，国内每年都有上千万平米的门式刚架轻钢建筑工程，主要应用范围如下：

（1）单层工业厂房。门式刚架轻钢结构因其重量轻、跨度大、易于组合，是建造单层厂房的优选结构形式，厂房内可设5t以下悬挂吊车或起重量小于20t的中轻级工作制吊车。

（2）单层仓储建筑。采用门式刚架轻钢结构外形美观，库内空间大，施工周期短，改建或转向容易。因此，可广泛用于码头仓库，商品仓库及工厂各种库房。

（3）商业建筑。随着城乡经济繁荣，各种商业建筑，如超市、贸易中心、农贸市场等都要求建筑物跨度大、视野开阔，门式刚架结构是合理的结构形式之一。

（4）文娱设施和体育馆。门式刚架结构可满足大跨美观的要求，如学校内体育馆、小礼堂等。

（5）旧建筑的翻修与加层。随着经济的发展，旧建筑的翻修改造业务不断增加，如轻质隔墙和高级装修的内外墙面，在原有建筑上加层都离不开门式刚架轻钢结构。

1.2 门式刚架的发展现状

门式刚架轻型房屋钢结构主要是由梁、柱、檩条、墙梁、支撑、屋面和墙体等构件组成的一种结构体系。具有重量轻、整体刚度较好、柱网布置灵活、支撑系统简洁、综合经济效益较高等特点。被广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。如各类轻型厂房、体育场馆、车站候车大厅、仓库、物流中心、大型超市、展

览厅、活动房屋、加层建筑、码头建筑、办公场所以及辅助性建筑等。

1 门式刚架轻型房屋钢结构的发展历史

从人类发展历史看,建筑形式与结构体系的产生与发展总与一定

时期的生产和生活水平密切相关,门式刚架轻型房屋钢结构的产生也

有着特定的历史背景。

轻型钢结构在国外发展较早,最初是随着汽车工业的发展,主要用于建造私人车库等简易房屋。第二次世界大战期间,由于战争的需要,轻型房屋钢结构主要用于建造一些拆装方便的营房和库房。

门式刚架轻型房屋钢结构最早起源于美国,并且发展最快、应用最广。后来在欧洲、日本和澳大利亚等国也得到了广泛发展和应用。因其构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点,此种结构形式一经推出就深受建筑业喜爱。

上世纪20世纪中期,建筑钢材产量大增,钢材的冶炼水平也有了

很大突破,色彩丰富、耐久性强的彩色压型钢板随之出现, H型钢和冷弯薄壁型钢相继问世,这些都极大地推动了门式刚架轻型房屋钢结构

的发展。加之加工设备的不断改善,设计形式的多样化,使门式刚架轻型房屋钢结构体系逐渐应用于大型工业厂房、商业建筑及公共交通设施等。实现了结构分析、设计、出图的程序化,构件加工的工厂化,安装施工和经营管理的一体化流程。

目前,大部分国外轻钢结构公司都具有自己的门式刚架轻型房屋

钢结构系列,由于门式刚架构件的刚度良好,其平面内、外的刚度差别较小,为制作、运输、安装提供了较有利的条件。结构构件可全部在工厂制作,工业化程度高,运输便捷,安装方便快速,土建施工量小,综合经济效益高。在美国、日本等一些钢结构技术比较发达的国家,门式刚架轻型房屋钢结构体系已经作为一种及既经济又快捷的建筑结构体系,

以商品的形式对外出售。

2 我国门式刚架轻型房屋钢结构的发展

我国门式刚架轻型房屋钢结构的研究和应用起步较晚,建国初期在一些旧工厂改建时曾应用过类似门式刚架体系的结构。上世纪50

年代我国大规模建设时期,为了节约钢材,则大量地采用钢筋混凝土构件。80年代后,随着外资的引进,门式刚架结构因其结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点,得到迅速发展。主要表现在两个方面:

①外国厂家的进入,新技术新产品的引进

(1)1979年上海引进日本S60压型钢板成型机并用于厂房仓库的屋面,1980年上海宝钢引进日本W550、V115N压型钢板成型机,并在一期工程屋面墙面围护结构应用近60万平方米,是80年代初首次用量最大的工程。

(2)1983年开始深圳经济开发区蛇口工业区大量引进英国、美国、澳洲和日本等国门式刚架轻型钢结构厂房仓库。随后沿海经济开发区也陆续引进国外轻钢厂房仓库。

(3)1994年美国公司投资创建上海美建钢结构有限公司,1996年嘉定工厂建成投产。

(4)1994年美国美联钢结构有限公司(U.S.A.公司)和美国宏宇建筑有限公司在中国建成工程数十项。

(5)1994年ASTRON建筑体系进入中国,先后在北京、苏州等地建成十几项大工程。

而后还有很多外资、台资企业进入我国。

②门式刚架轻型钢结构房屋在我国的发展

(1)1980年上海宝钢建设指挥部成立压型钢板压型铝板试验研究

专题组,对一期工程引进的日本彩色涂层压型钢板及成型设备进行消化吸收,试验利用国内铝合金板替代彩色涂层钢板做成压型板用于屋面墙面围护结构,经过调查及大量的试验研究,在宝钢一期工程屋面墙面推广应用铝合金压型钢板60多万平方米，

(2)1984年冶金部建筑研究总院科研人员在学习上宝钢及深圳蛇口工业区压型钢板及门式刚架轻型钢结构国外先进技术的基础上,结合我国具体情况研究开发门式刚架轻型钢结构厂房仓库,首先用于商业部急需建设的国家棉花储备仓库,三年间在冀鲁豫三省四十多个地区,建设轻钢棉花仓库300多栋,建筑面积达20多万平方米。

(3) 冶金部建筑研究总院是国内最早进行轻型钢结构房屋研究开发的单位,院内有一批科研人员对轻型焊接H型钢、冷弯薄壁型钢、压型钢板的力学性能、加工工艺及其加工设备、另配件连接件及密封材料进行研究开发,并结合工程进行轻型钢结构建筑的设计和推广应用,主持或参加国家规程规范和标准的编制。

(4)随着我国经济的快速增长,门式刚架轻型钢结构房屋行业也得到飞速发展,尤其在东南沿海地区,新建工厂仓库的需求增长促使轻型钢结构房屋加工安装的厂家如雨后春笋般的发展起来,从开始的小规模发展到现在的现代化大企业,杭萧钢构、浙江精工、恒达钢构、上海通用、吴泰钢构、宝钢彩板、北方空间钢构、北京福田钢构、北京多维钢构、四川恒升等企业都是专业门式刚架轻型钢结构厂家,每年的销售额都在几亿、十几亿元以上。

(5)压型钢板夹芯板加工厂家遍布全国各地,有的厂家已经具有独自的屋面墙面围护系统,有的厂家引进国外先进设备,技术水平不断提高。目前国内的压型板板型几十种,其生产线大部分都是国内制造的。引进夹芯板生产线的厂家比较多,据不完全统计有二十多条生产线,主

要从意大利、德国、韩国、澳洲等国引进。目前国内厂家也能制作夹芯板生产线。

(6)门式刚架轻型钢结构房屋的大量应用,带动了相关配套行业的发展和兴旺,设计软件的开发,焊接型钢、冷弯薄壁型钢及压型钢板等加工设备的制造,采光瓦、零配件连接件和密封材料的生产厂家和代理也很多,技术水平都在逐步提高。

回顾我国二十多年来钢结构建筑发展历史,可以说以门式刚架为

主的轻型钢结构房屋是一项发展最快、应用最广的建筑新技术新产品。

除此之外,门式刚架轻型房屋钢结构的有关设计施工规程规范和

图集也在进一步完善。

筑研究总院主编。

(2)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》 (3)门章节。

(4)新编标准图集有:《门式刚架轻型房屋钢结构(无吊车)》图集号02SG518-1,《门式刚架轻型房屋钢结构(有吊车)》图集号04SG518-3,《压型钢板、夹芯板屋

2 门式刚架的主要结构特点

门式刚架结构自重小、施工周期短、造价低等优点而为广大建筑师、结构师所接受和采用。

2.1 结构优点

门式刚架结构与其他结构形式相比，具有结构简单、受力合理、刚度良好、使用空间大及施工方便等优点，具体如下：

①用钢量少,自重轻。门式刚架轻钢结构采用防水、围护一体化的轻质多功能新型屋面和墙体材料,大大减轻了荷载重量。其承重构件普遍采用高强钢材,以减轻结构自重。通常门式刚架轻钢结构的重量只有钢筋混凝土结构的18~110,是普通钢结构重量的12~13。

②适应性强。门式刚架轻钢结构的跨度、柱距设置灵活,单跨、多跨可随意组合,可应用于不同工艺、不同规模、不同用途的各类建筑中。

③施工速度快、周期短。结构件工厂化生产,效率高、精度高、质量稳定,工地拼装,施工简便、迅速、工期短。一般5000~10000m2的单层工业厂房工期仅需3个月。

④符合美观、经济、实用的原则。造价合理,投资见效快,综合经济效益好。空间使用率高,外观新颖别致,时代感强。

⑤符合环保要求。无粉尘、无噪音,建筑垃圾少;易拆卸,可再次利用。利用率可达100%,利于城市环境保护。

2.2 力学模型

刚架的内力分析与设计是基于初步设计确定的结构体系建立力学模型，计算结构构件的内力与变形，根据内力分析结果校核构件的承载力，并对刚架的节点进行设计和验算。力学计算模型涉及的内容包括构件单元类别的确定、节点定义、几何模型的建立、荷载的取值与导算、荷载组合、分析方法的选择等；构件和节点设计主要内容为构

件的承载力、变形及稳定性验算，并依据选择的构件截面设计节点，校核节点承载力。

门式刚架系超静定结构，内力计算一般采用弹性分析方法。门式刚架结构的内力分析依据结构布置情况的规则性与复杂程度的不同，可采用简化的平面结构或考虑空间整体作用建立计算模型。一般情况下，结构平面布置较规则、构件分布对称，刚架无局部不规则的夹层与凸起，所受外部荷载较为均匀，则可简化为平面结构计算刚架的内力。当结构平面布置或竖向布置呈不规则时，或受载情况复杂等条件下，如按传统的平面门式刚架简单分析，其结构走出工程设计允许误差范围，且情况复杂时简化工作更是困难，尤其是对于纵向水平支撑与屋面系统的简化，此时应采用空间结构进行计算。

（1）几何尺寸的确定

建立几何模型涉及的主要尺寸有：刚架的跨度、柱距、刚架高度、屋面坡度。刚架的跨度可定义为横向刚架柱轴线间的距离，对变截面柱其轴线可取通过柱下端（较小端）中心的竖向轴线。

刚架柱距取相邻刚架横向轴线间的距离。

刚架的计算高度为自柱底至刚架斜梁轴线与柱轴线交点处的长度。对变截面刚架斜梁，其轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平等的轴线。门式刚架的脊顶高度可依据檐口处的高度与屋面坡度在建模型时自动推算出。

（2）构件单元类别与节点类型的定义

当采用平面刚架建模时，涉及的主要构件为刚架斜梁与柱，而采用空间计算模型时，除上述单元外还包括屋盖支撑系统、柱间支撑、刚性系杆等。有些较为复杂的结构可能还包括平台、雨篷及托架或托梁等。下表列出了门式刚架结构常用单元与节点类型的定义。

主刚架构件可采用轧制或焊接形成的H型钢、工字钢、槽钢等。

建立计算模型时必须初步确定构件的截面尺寸，选择截面时必须保证构件各板件的尺寸能满足基本构造要求，以保证构件整体稳定与局部稳定的前提，主要由构件的长细比与宽厚比（或高厚比）确定。下表给出了受压与受拉构件的长细比限值。主刚架构件截面一般由稳定控制，其长细比取值不宜太高。

受压构件长细比限值

成的类似结构，结合拟分析结构的跨度、高度及荷载情况估算。一般斜梁截面的高度可取跨较大时可取较大值。截面高度与宽度之比hb 可取2-5，刚架柱为压弯构件，其hb可取较小值，但有的梁端为了与柱连接（竖板连接）梁端可取hb≤6.5。

（4）建立分析模型

建立分析模型的主要工作是依据初选的构件断面及构件的受力特点，利用有限元软件分析模型中之几何模型，并定义结构的材料属性。

建立分析模型要解决的关键问题是确定拟分析结构所需建立模型的类别，即是建立简化的平面结构模型还是空间整体模型。

采用平面模型分析时一般应将整体结构简化为横向平面刚架体系和柱间支撑体系。横向水平刚架承受跨间的全部竖向荷载和横向水平荷载，柱间支撑体系承担纵向水平荷载，包括屋盖支撑和柱间支撑两部分。对于可简化为平面模型分析的门式刚架结构，应根据各刚架的受载情况和截面特征选择典型刚架进行内力分析，由于横向风荷载在纵墙中部和靠近山墙端分布存在差异，因此在各开间尺寸相等且竖向

荷载等值均匀的结构中，至少应分析三榀刚架的内力。

采用空间模型时，通常是根据结构布置图，选择其中的主要受力构件建立有限元分析模型。空间模型中应包括的主要构件有刚架斜梁、刚架柱、屋盖支撑、柱间支撑、刚性系杆及山墙墙架柱或山墙构架系统，对于存在平台或吊车的结构，平台与吊车梁是否应在模型中反映或简化为相应的荷载则需视具体情况确定。空间模型中一般不建入檩条与墙梁单元，而是将屋面荷载和墙面荷载等价作用在刚架系统中2.3 屋面支撑设计

门式刚架结构空间整体稳定性主要由柱间支撑和屋面支撑决定，屋面支撑较柱间支撑复杂，因此，设计中应对整个结构的空间受力进行认真分析，布置合理的支撑体系，保证结构的整体稳定。屋面支撑的刚度是屋面刚度的主要影响因素。屋盖刚度越大，其承担的力越大，刚架的空间作用越大。刚架纵向柱间距和跨度增大，必须加强屋面支撑刚度才能满足屋面刚度需求。

3 门式刚架的主要设计要点

3.1 设计与施工要点

3.1.1 设计

(1)由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。

(2)要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。

(3)组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。

(4)设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。

(5)门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。

(6)设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理，比如风力可使轻型屋面的荷载反向等。

3.1.2 施工

在施工中，对焊接结构焊接工艺上应增加预热措施，同时严格检查，要求施工人员按规定和构造去做，做好成品的保护，加强施工中的质量监督。钢材的防腐蚀问题应引起足够的注意。钢材易腐蚀，设计时应尽量避免暴露在空气中，对承重结构必要时采取特殊防护措施，如涂漆、电镀等。

3.2 屋面活荷载的取值和布置

门式刚架结构设计的主要依据为《钢结构设计规范》（GB17-88），《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB18-87）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：98），对于屋面结构，《钢结构设计规范》规定活荷载为0.5KNm2，但构件的荷载面积大于60 m2的可乘折减系数0.6,门式刚架符合此条件，活荷载取为0.3KN m2,国外这类房屋设计时，要考虑0.15-0.5N m2的附加荷载，我国无此规定，现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载现象，遇到大风或其他原因造成超载，很容易出安全问题，因此屋面活荷载的取值决不能再小，不能在有限的活荷载中挖潜。

3.3 合理跨度的确定

不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度确定合理的跨度。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18-30m之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为18-28kg m2，当跨度在21-48m之间的刚架单位用钢量为25-40kg m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。

3.4 刚架最优间距的确定

刚架的间距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，当刚架跨度较小时，选用较大的间距，会增加檩条的用钢量是不经济的。

刚架规范规定，刚架柱距宜为6m，7.5m，9m，最大可采用12m。经过大量计算发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式刚架存在着一最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：

跨度（m）最优柱距（m）

9---12m 5.5m

45m以上9m

综上所述，一般情况下，门式刚架的间距应在6—9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。

3.5 柱脚的抗风措施

在工程实例中，有的刚架在大风时柱子被拔起，其主要原因不是刚架计算失误，而是设计柱间支撑时未考虑支撑传给柱脚的力，尤其是房屋纵向尺寸较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，若柱脚没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，如锚栓端部设锚板等。

3.6檩条和墙梁的布置

檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。

3.7支撑和刚性系杆的布置

(1)在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

(2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。

(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m，有吊车时不宜大于60m。

(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m 时，内柱列宜适当设置支撑。

(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

(6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。

(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。

(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。

(9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。