门式刚架设计

摘要：门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近二十年来，特别是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》（CECS102）于1998年颁布实行后，其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。目前，国内大约每年有成千上万平方米的轻钢建筑竣工。国外也有大量钢结构制造商进入中国，加上国内几百家的轻钢结构专业公司和制造厂，市场也日趋激烈。

关键词：门式刚架；设计要点；节点设计

　　概述 

单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具有以下特点：（1）质量轻。单层门式刚架房屋承重结构用钢量一般为10~30kg/㎡；在相同的跨度和荷载条件下自重约为混凝土结构的1/30~1/20；（2）工业化程度高，施工周期短。门式刚架结构的主要构件和配件均为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便。除基础施工外，基本没有湿作业，现场施工人员的需要量也很少。构件之间的连接多采用高强度螺栓连接;（3）综合经济效益高。门式刚架结构由于材料价格的原因其造价虽然比钢筋混凝土结构等其他结构形式略高，但由于采用了计算机辅助设计，设计周期短；构件采用先进自动化设备制造；原材料的种类较少，易于筹措，便于运输；所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益高。（4）柱网布置灵活。传统的结构形式由于受屋面板，墙板尺寸的，柱距多为6m，当采用12m柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数，柱距的大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。

设计资料

本工程采用轻型门式刚架房屋钢结构，占地12mx54m，跨度12m，柱距6m，柱顶标高12m，屋面坡度1/10。

基本风压：0.54KN/㎡（50年一遇）；地面粗糙度：A类；抗震设防烈度为7度，设计地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。

屋面及墙面板为夹芯板；檩条墙梁为薄壁卷边C型钢，间距为1.5m；钢材采用Q235钢，焊条E43型。

设计要点2.1结构形式和布置:

 本工程采用单跨双坡的刚架形式。

《门规》4.3.1 门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距），应符合下列规定：纵向温度区段不大于300m；横向温度区段不大于150m。

 故：本工程纵向长度54m，横向12m，所以不用设置温度伸缩缝

2.2荷载组合：

 荷载效应的组合一般应遵从《荷载规范》的规定。针对门式刚架的特点，《规程》给出下列组合原则：

（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；

（2）积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；

（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；

（4）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑；

 在进行刚架内力分析时，所需考虑的荷载效应组合主要有：1）1.2x永久荷载+0.9x1.4x[积灰荷载+max{屋面均布活荷载、雪荷载}]+0.9x1.4x（风荷载+吊车竖向及水平荷载）；2）1.0x永久荷载+1.4x风荷载；

2.3地震作用

《门规》条文说明3.1.4条，由于单层门式刚架轻型房屋钢结构的自重较小，设计经验表明，当抗震设防烈度为7度时，一般不需做抗震验算；当为8度及以上时，横向刚架和纵向框架均需做抗震验算。当设有多于一层并与门式刚架相连接的附属建筑时，应进行抗震验算。

 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010考虑到轻型房屋钢结构的特点，在第9.2.1条中指出，一般单层厂房钢结构的抗震规定“不适用于单层轻型钢结构厂房”。对轻型钢结构房屋，当由地震作用效应组合控制设计时，尚应针对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。例如，构件之间的连接应尽量采用螺栓连接；斜梁下翼缘与刚架柱的连接处宜加腋以提高该处的承载力，该处附近翼缘受压区的宽厚比宜适当减小；柱脚的抗剪、抗拔承载力宜适当提高，柱脚底板宜设抗剪键，并采取提高锚栓抗拔力的相应构造措施；支撑的连接应按支撑屈服承载力的1.2倍设计等

。门式刚架轻型房屋钢结构符合高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构等条件，根据《抗规》5.1.2条，可采用底部剪力法。

故，本工程不需要进行抗震验算，只需要针对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。比如，构件之间的连接应尽量采用螺栓连接；斜梁下翼缘与刚架柱的连接处宜加腋以提高该处的承载力，该处附近翼缘受压区的宽厚比适当减小；柱脚的抗剪、抗拔承载力宜适当提高，柱脚底板宜设置抗剪键，并采取提高锚栓抗拔力的相应构造措施；支撑的连接应按支撑屈服承载力的1.2倍设计等。

2.4风荷载计算（围护构件）

1）风荷载标准值 

荷载规范（GB50009-2012）与（GBJ9-87）有三点不同，一是明确了檩条、墙梁一类的围护构件应以阵风系数代替（GBJ9-87）式（6.1.1）中的风振系数；二是给出了屋面围护构件的局部风压体形系数；三是明确了建筑物内外表面应组合的不同体型系数；三是明确了建筑物内外表面应组合的不同体型系数，无疑更趋向科学合理。

 建研院意见：对围护结构的计算，过去规范没有明确风荷载脉动部分的影响，这里确有不妥之处，尽管在以往设计的结构中，没有发现有普遍性的工程事故，但也不能不指出结构局部可靠性有偏低的可能。现行规范提供的阵风系数主要是对高层建筑的玻璃幕墙结构参考国外规范而加以规定的，但低矮房屋是否适合，仍需通过今后的设计和科研实践给以完善。《门规》提供的风荷载计算，是根据美国有关设计手册中的试验资料确定，更能符合实际，不妨按此参考执行”。

2）修正后的基本风压：《荷载规范》将风荷载基本值的重现期由原来的30年一遇改为50年一遇。《高规》3.2.2条规定：对于B级高度的高层建筑或特别重要的高层建筑，应按100年一遇的风压值采用。修正后的基本风压是指考虑地点和环境的影响，如沿海地区和强风地带等，在规范规定的基础上要把基本风压放大1.1或1.2倍。又如《门规》中规定，基本风压按现行国家标准《荷载规范》的规定值乘以1.05采用。

 故，在计算檩条、墙梁一类的围护构件时，风荷载标准值按《门规》的规定计算更能符合实际。

2.5内力计算

《门规》5.1.1 变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。仅在构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法，并按《钢结构设计规范》GB 50017的规定进行设计。

 故，本工程因为荷载和跨度都不大，梁柱截面都为等截面，所以可以采用塑性分析方法。

《门规》 5.1.2 变截面门式刚架宜按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应。当有必要且有条件时，可考虑屋面板的应力蒙皮效应。

 故，本工程认为屋面刚度好、与檩条可靠连接，所以考虑蒙皮效应，具体体现：刚架梁上翼缘平面外计算长度取3m。

2.6横梁设计

 1）实腹式横梁在平面内和平面外均应按压弯构件计算强度和稳定。

 2）实腹式刚架横梁的平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离；当横梁两翼侧向支承点间的距离不等时，应取最大受压翼缘侧向支承点间的距离。

 注：刚架平面外计算长度分上翼缘、下翼缘两种。i.上翼缘计算长度有2种取法：取上翼缘横向支撑的节距、取3m。其中“取3m”是当屋面刚度好，与檩条的连接可靠时，考虑屋面实际存在的蒙皮作用所取的数值。ii.下翼缘设置隅撑，一般取对应横向支撑节点设置，取下翼缘平面外计算长度为横向支撑节距。对不设隅撑的下翼缘，由于梁跨度范围内存在弯矩变号，取Ly=0.4L。本工程为前者，取横向支撑的节距，即3m。

 3）当实腹式刚架横梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑（端部仅布置在一侧）作为横梁的侧向支承；隅撑的另一端连接在檩条上或焊接于发泡水泥轻质大型屋面板的边框上。

 4)当横梁上翼缘承受集中荷载处不设横向加劲肋时，应验算腹板上边缘正应力、剪应力和局部压应力共同作用时的折算应力。

 5）横梁不需计算整体稳定的侧向支撑点间最大长度，可取横梁上下翼缘宽度的倍。

2.7拉条设置 

1）《门规》认为只要檩条的下翼缘在风吸力组合作用下受压时，拉条宜在檩条的上下翼缘附近适当布置。双层拉条不仅施工麻烦，且与习惯做法不符。有些国家用斜拉条，即从檐口檩条开始，拉条从第一根檩条的下翼缘斜拉向第二根檩条的上翼缘，然后从第二根檩条的下翼缘再拉至第三根的上翼缘，依次顺序进行。这种做法国内应用不多。

 2）另一种观点，不设双层拉条，仅在檩条的上翼缘附近设置拉条。当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过其稳定计算满足即可。此时檩条下翼缘侧向计算长度。本手册及国家标准图集01SG515和02SG518-1均采用这种方法，这在理论上是有依据的。

 故，为避免造成施工中的不便，本工程不采用双层拉条，檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，通过稳定计算解决。

节点设计 3.1梁柱节点

 《门规》7.2.1 门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和横板斜放三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件外边缘垂直。

 《门规》7.2.2 端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，端板连接应按能够承受不小于较小、被连接截面承载力的一半设计

。

 《门规》条文说明7.2.1 端板斜放可加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。端板竖放适用于局部等截面柱。

故，端板平放可以减小节点的设计剪力，端板竖放和斜放都能增加力臂，但斜放对加工和安装有较高的要求，一般很少采用。考虑到本工程梁柱等截面，所在地风荷载比较大，柱顶弯矩比较大，所以采用端板竖放连接形式。3.2柱脚设计

《门规》7.2.19 计算有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力时。应计入柱间支撑产生的最大竖向分力，且不考虑活荷载（或雪荷载）、积灰荷载和附加荷载的影响，恒荷载分项系数应取1.0. 

 《门规》7.2.20 柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。计算柱脚锚栓的受拉承载力时，应采用螺纹处的有效截面面积。

《门规》4.1.4 门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。 故，有桥式吊车的工业厂房，国内做法是采用刚接柱脚并且设置抗剪键。本工程采用铰接，原因见第4条。

哈国项目与国内项目比对 哈萨克斯坦ICPI项目采用的门式刚架做法与国内不同。1）建筑做法变动，取消山墙处插入距；2）边榀设置柱间支撑，有利于加强边榀刚度，防止边榀变形过大使压型钢板破坏；3）屋面布置纵向水平支撑，将横向力传到边榀，有利于加强刚架空间刚度；4）柱脚采用铰接，施工简单，老外要求。（具体做法，详见附图）

结语随着全球经济一体化的浪潮，工程设计公司走向海外市场也成为一种必然，对结构设计人员来说挑战与机遇共存。挑战是国内外规范差异巨大，结构形式和方案也有不同；机遇是在差异中有利于提高我们的设计水平。作为结构设计人员，我们需要加强自身专业修养，夯实基本功，这样才能在以后的工作学习中，举一反三、融会贯通，变挑战为机遇。

参考文献：

钢结构设计规范 GB 50017-2003 中国计划出版社

建筑抗震设计规范GB50011-2010 中国建筑工业出版社

门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS 102：:2002中国工程建设标准化协会

钢结构设计手册（上、下册） 中国建筑工业出版社