浅谈门式刚架的设计与优化

陈廷强

航天建设集团深圳有限公司广东深圳518027

摘要：近十几年，随着钢结构理论的成熟及钢结构加工技术的发展，钢结构体系建筑由工业建筑逐渐向民用建筑过度，但是，在工业建筑中的使用依旧占据主要的位置。轻型房屋钢结构具有钢材使用量少、施工速度快且方便、综合造价低、适用性强、耐久性稍差、耐火性弱等特点。在工业飞速发展的今天，门式刚架在我国更是普遍存在，这其中的原因之一是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002》（注：新版规范为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015》）起了很大推动作。

关键词：门式刚架；优化；结构布置

1.荷载的取值

作用在门式刚架结构上的荷载主要有：竖向荷载（结构自重、积灰荷载、雪荷载等）、水平荷载（风荷载、吊车刹车力），以及地震荷载（水平和竖向）。由于轻钢结构本身自重轻，所以对地震的反应不那么敏感，这个特点对抗震较有利。

对于门式刚架屋面恒载，一般可取0.15~0.3kN/m2，普通的工程已能足够满足要求。但个别设计设计人员为了保守设计，故意将恒荷载取得比实际恒载大，而在一些风荷载比较大的地区（风荷载不小于0.5KN/m2），反而造成结构的不安全，因为对于封闭结构，屋面风压为负值，产生风吸力，当恒载取得比实际恒载大时，反而抵消了风吸力，造成结构在风荷载作用下的不安全。所以，恒荷载须根据屋面材料计算准确取值，否则取大了或取小了都会对结构不利。对于活荷载，规范规定一般屋面受荷面积大于60m2可取不小于0.3kN/m2。对于屋顶吊挂的一些设备要考虑附加荷载。对于风荷载，《建筑结构荷载规范GB50009-2012》与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015》的计算方法并不一样，很多工程设计师对此感到疑惑，本人结合前辈的经验以及总结自己设计的一些工程案例，认为风荷载的计算方法与门式刚架的跨高比相关，当刚架的跨高比小于等于4时，应按《建筑结构荷载规范GB50009-2012》进行计算，当刚架的跨比大于4时，可按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015》进行计算。

2.抗震设计及抗震措施

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2015》规定，单层门式刚架轻型房屋钢结构自重小，设计经验和振动台试验表明，当抗震设防烈度为7度（0.1g）以下时可不进行抗震验算，当抗震设防烈度为7度（0.15g）以上时，横向刚架和纵向刚架均要进行抗震验算，当设有夹层或有与刚架相连接的附属房屋时，应进行抗震验算。通过本人实际设计过的工程案例表明，地震烈度在8度以内时，地震作用对结构计算不起控制作用。当烈度为8度及以上、跨高比小于4时地震效应组合才有较明显的作用。

规范规定应按房屋的两个主轴方向分别计算水平地震，当质量与刚度分布明显不对称的结构应按双向水平地震作用计入扭转的影响；抗震设防烈度8度及以上时，应计算竖向地震作用；计算地震作用时应考虑墙体对地震作用的影响。

设防烈度7度及以上时，应采取以下抗震措施：设有柱间支撑的柱脚底板应设置抗剪键；锚栓应按柱间支撑传来的抗拔力验算；柱间支撑和屋盖水平支撑的设置应符合《建筑抗震设计规范》中的相关规定。

3.结构布置方案的确定

在实际工程中，由于轻钢结构构件加工生产的便利及灵活性，门式刚架轻型房屋的制作和施工基本能做到量体裁衣，为节约工程造价提供了可能性。

（1）.确定跨度

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》规定，门式刚架的单跨跨度宜为12~48米，在这个区间内基本可满足大部分生产工艺等使用要求，但作为设计人员，我们应追求较为经济的跨度。在满足厂房的生产需求和使用功能上，确定较为合理的跨度。通过本人设计的工程计算发现，一般常用的工业厂房，跨度在15-25m之间的刚架最为经济。从节约造价的角度设计门式刚架时应根据厂房具体使用要求确定，选择相对经济合理的跨度。

（2）.确定柱间距

《全国民用建筑工程设计技术措施》指出，门式刚架的间距宜为6～9m，间距7.5m较佳。结合本人设计的工程，总结了一个最优柱间距，下面列出在一般情况下不同跨度所对应的较优开间：

柱跨（m）较优开间（m）

12~18m6m

18~36m6~7.5m

36~35m7.5~9m

因此，在一般的厂房设计中，门式刚架的间距取值宜在6—9m之间，柱间距小于6米时，刚架用钢量较多；柱间距大于9m时，屋面檩条与墙梁体系的用钢量较多，综合考虑，柱间距取7.5米左右为宜。

4.屋面檩条的设计

（1）.檩条的设计

檩条一般采用实腹式构件，也可采用空腹式构件，当檩条跨度在9米以上时，也可采用格构式。一般普通的工程采用实腹式檩条较常见，即采用卷边槽形和斜卷边之形冷弯薄壁型钢，也可采用直卷边的Z形冷弯薄壁型钢。檩条应按双向受弯构件设计，在进行檩条内力分析时应计算两个方向的弯矩。檩条不仅是支撑屋面板的构件，同时也是钢梁隅撑设置的支撑组成部分（长细比符合压杆λ＝200的长细比要求时），设置适当数量的隅撑可有效减少钢架平面外的计算长度，保证了钢架的平面外稳定性。

（2）拉杆和撑杆的设计

檩条承受的线荷载可分解为坡度方向的分量和垂直于坡度方向的分量，垂直于坡度方向的分量由檩条承担，平行坡度方向的分量由拉条承担，为使两坡度方向的分量在屋脊处平衡，应将屋脊处两根脊檩连成整体。为防止檩条向屋脊方向弯扭失稳，必须在檐口处加设斜拉条和直撑杆，檩条间的拉杆设计应取屋脊处受力最大一根拉条按轴心受拉构件选择截面，拉条所受的最大轴向拉力应取半跨屋面产生的总坡向力。规范规定当檩条跨度≤4m时，可不设置拉条；当檩条跨度＞4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉杆；当跨度＞6m时，宜设两道拉杆或撑杆，同时在檐口处还应设置斜拉杆和撑杆。拉杆的直径根据荷载、跨度及檩距大小计算确定，一般为10～12mm。

檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。撑竿的长细比应按压杆要求λ≤220。撑竿与斜拉杆同时设置组成桁架形式。

（3）.隅撑的作用与设计

《全国民用建筑工程设计技术措施》规定，檩条计算时，不应以隅撑作为檩条的支承点，隅撑的主要作用是防止钢构件翼缘失稳。当与隅撑连接的檩条的长细比应满足压杆要求时（长细比符合压杆λ＝200的长细比要求），在设计时可考虑作为减少梁柱的平面外计算长度的平面外有效支撑。

5.?总结

我国轻钢结构体系起步较晚，构件设计制作工业标准化程度较低，实验理论与工程实践与国外发达国家尚有较大差距；在实际工程实施中，由于目前年轻设计人员的设计经验尚欠缺，杆件截面的选择不能一步到位，结构布置也不尽合理，为了安全、经济、合理地设计门式刚架，还需要设计人员进一步学习探索，深入研究，参照和吸收国外先进的设计理念和标准，确保工程的设计质量，逐步推动我国的门式刚架轻型钢结构的进一步发展。

参考文献

[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）中国建筑工业出版社

[2]《全国民用建筑工程设计技术措施2009-结构》中国计划出版社

[3]《轻型钢结构设计指南》（实例与图集）中国建筑工业出版社

[4]《钢结构设计手册（第三版）》中国建筑工业出版社

[5]《门式刚架设计中风荷载体形系数的取用研究》工业建筑2009增刊韩旭谭碧程印

[6]《门式刚架设计中风荷载体型系数的研究》钢结构2008李志通