轻型门式刚架厂房的设计要点分析

史磊

辽宁天实城乡建筑设计咨询有限公司

【摘要】随着经济的发展以及科技的进步，促进了工业和民用建筑中对轻型门式刚架的需求日益增加。尽管钢结构厂房有很多优点，而作为一种材料，它也有很多缺点，例如易锈蚀、防火性能差等。基于此，本文就对轻型门式刚架厂房的设计要点进行了探讨分析。

【关键词】钢结构厂房设计；结构体系；设计要点；结构抗震设计

一、钢结构厂房结构体系选择

单层钢结构厂房结构体系主要由横向系统和纵向系统两部分组成。横向系统按结构外形可分为框排架、门式刚架等。结构体系的具体选择需根据厂房刚度要求、工艺要求、材料选用情况、结构受力情况等确定。纵向系统一般是由柱间支撑柱、水平支撑、吊车梁及制动梁或制动桁架、墙梁、屋面梁、系杆等构件组成。

二、轻型门式刚架厂房的设计要点

1、门式刚架荷载取值。在计算门式刚架受力情况时，屋面活载按满布考虑，其结构安全性、用钢量均会随着屋面活荷载取值变大而增大。门式刚架建筑上作用的荷载一般有：竖向荷载（结构自重、雪荷载、积灰荷载等）和水平荷载（风荷载、吊车刹车力），还有地震荷载（水平和竖向）。荷载应根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）国家规范规定作相应的取值。

2、檩条、拉条和撑杆设计。（1）檩条属于双向受弯构件，设计时应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。檩条设计时，要考虑檩应为冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱。同时强度计算要用净断面，要考虑钉孔减弱。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。檩条设计时，应考虑檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度，有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。（2）拉条的设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。对于侧向刚度较差的薄壁型钢式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。当檩条跨度≤4m时，可计算要求确定是否需要设置拉条；当跨度>6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑杆。在檐口应设斜拉条以抵抗风吸力作用下的反向弯矩。

3、柱网布置。轻钢厂房结构设计中要根据建筑高度确定合理的跨度。（1）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。当刚架跨度较小时，刚架用钢量甚至占总用钢量的50%以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量所占比例较小，因此，在设计门式刚架时应精确设计，合理使用。（2）随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了刚架的用钢量。其次是檩条，由于挠度的要求，用钢量增加也较快。

4、刚架内力和侧移计算方法。（1）内力计算方法：对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。（2）侧移计算方法：变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。

5、屋面支撑和柱间支撑设计。（1）屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。（2）柱间支撑，对厂房来说，分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。

6、结构体系抗震设计。虽然钢结构厂房由于材料本身具有良好的抗震性能，如果设计不合理，当厂房遭受较大地震时，也会造成严重破坏。钢结构厂房抗震设计时应注意以下问题：（1）平面布置方面，要求厂房结构的质量和刚度均匀分布，使厂房受力均匀，变形协调，尽量避免因结构刚度不均匀对抗震造成不利影响；厂房横向结构宜采用刚架或者使屋架与柱刚接连接的框排架，使得钢结构的受力性能得到充分利用并能减少结构体系横向变形。（2）钢结构厂房的破坏一般情况不是由于杆件强度不足，而常常是因为杆件受压失稳而造成的。（3）对于钢结构厂房的抗震概念设计，同样存在“强节点，若构件”的设计理念。对与钢结构连接节点，应保证其破坏不先于结构构件的全截面屈服，应使杆件能进入塑性工作区段，充分吸收地震能量，发挥其抗震能力。（4）当抗震设防烈度为7度～8度时，宜采用钢筋混凝土墙板或轻型墙板，如压型钢板复合板材、石棉瓦、瓦楞铁等。

7、隔热及防火设计。钢材受热温度在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度逐步降低，钢材塑性逐步增大；当温度在250℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构整体塌落。因此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计，常用做法一般有两种：（1）在钢构件外包耐火砖，增设混凝土保护层或专用防火板材；（2）采用防火涂料，防火涂料分为厚涂型和薄涂型两种，涂料厚度应按《钢结构防火涂料应用技术规程》以及《建筑设计防火规范》的规定选取。

三、结束语

随着钢铁产量增加，建筑钢材市场的各种型钢从产量和品种性能等各个方面上都得到很大的发展。钢结构厂房因其施工速度快、承载力高、整体刚度和抗震性能好，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构而得到了普遍应用。

参考文献：

[1]牛保有.轻型门式刚架钢结构的优化设计分析[D].西安建筑科技大学，2013

[2]魏国海.浅析轻型门式钢架结构工程施工技术[J].黑龙江科技信息，2013

[3]GB50011-2010，建筑抗震设计规范.