门式刚架设计要点分析

章长乐

安徽省城乡规划设计研究院安徽合肥230022

摘要：随着我国钢产量的不断增加，同时由于钢结构建筑具备的诸多特点，很多建筑选用钢结构，例如超高层建筑、大跨结构、高耸结构和大型厂房等，特别是钢结构门式刚架厂房在实际工程中的应用最为广泛。但现在的设计中存在不少不合理的情况，造成了质量隐患或者浪费材料。基于此，本文主要对门式刚架设计要点进行分析。

关键词：门式；刚架设计；要点分析

1、前言

我国经济的快速发展，使得门式刚架轻型房屋钢结构因其用钢量省、造价低、性能好、制作和施工速度快等优点，在我国得到快速推广和应用，尤其已成为各地经济开发区的厂房、仓库、车间及其他用途房屋的主要结构形式。尽管这种结构形式比较简单，但是在实际工程中还是出现了一些问题，除了制作和安装的因素外，设计方面的缺陷也是常见原因。

2、门式刚架设计要点分析

2.1结构形式设计

门式刚架的钢斜梁与钢柱的连接应为刚接，这样可以减小梁的最大弯矩和跨中的竖向挠度；而柱脚与基础的连接宜采用铰接，这样柱可以采用变截面来减小用钢量，同时基础理论上不承担弯矩，这样可以减小基础的大小；当刚架所受的水平荷载较大时，例如有水平吊车、檐口高度较高或者当跨度较大（大于30m）时，为保证其刚度和稳定性，柱脚与基础的连接应采用刚接。如果门式刚架所处的地区雨雪较少，那斜梁的斜度不必太大，控制到大于1/20就行，有的设计过多考虑屋面排雨雪水，把钢梁斜度设计得很大，这样会增加结构的用钢量，增加造价。但如果所处地区是多雨雪区，斜梁斜度小的话，易造成屋面排水不畅或积雪，形成屋面超载，造成安全事故，建议坡度1/10左右。当刚架跨度较小时，斜梁应设计为等截面，当刚架跨度较大时，斜梁应根据弯矩大小设计成变截面，起到减小材料用量的作用。

2.2节点设计

门式钢架梁柱节点应该为刚节点，为了增加节点区域的刚度和稳定性，梁柱连接节点处柱翼缘钢板厚度需增加，通常按照增加4mm以上处理，同时节点处梁端端板的厚度不得小于16mm。而有的设计不考虑梁柱节点域的加强，致使参与连接的板件太薄，造成了节点区刚度太小。同时，节点处柱腹板上要设置横向构造加劲肋，板厚需要满足计算要求，大多设计会考虑加劲肋的设置，但常出现加劲肋厚度不够的情况。

有的刚架为了满足造型上的要求，柱可能采用圆形柱或箱型柱，但圆形柱和箱型柱节点处相应的加劲肋应当加到柱里边，这样在实际操作上比较困难，于是很多钢柱柱便不设加劲肋，这样会造成节点域比较弱，也不符合规范要求。遇到这种情况，可以在节点区柱相应位置加外环加劲肋，来起到其构造的作用。有的设计可能出于使用或造价上原因的考虑，采取混凝土柱和钢梁进行连接，同时为了减小钢梁的截面，梁柱节点采取了刚接来减小梁的最大弯矩，但是混凝土为脆性材料，很难做成理想的刚接，螺栓在施工或使用中易发生松动，这种情况下节点就会变为铰接，梁的最大弯矩就会增大，造成梁的承载力不够。所以以钢梁和混凝土柱连接不能做成刚接节点，这样有很大的安全隐患。

2.3柱脚设计

由于门式刚架自身以及所受的荷载较小，所以其基础一般采用独立基础。如果结构对刚度要求较小，则应当把柱脚设计成铰接，基础只需满足竖向荷载抗冲切和剪切方面的要求即可，这样比柱脚设计成固接可以大大减小基础的大小，同时铰接柱脚不考虑弯矩，通过把钢柱设计成变截面来节省材料。另外，由于地脚螺栓设计时不考虑水平抗剪，所以柱脚底板下要设抗剪键来抵抗水平力，这一条在设计中经常被设计人员忽略。还有一点就是基础里预埋的地脚螺栓都有自己的锚固长度，这个长度往往要大于基础满足抗冲切的厚度，有的设计人员为了减小基础的混凝土用量，把基础的厚度减小，使地脚螺栓的锚固长度不够，在大风的情况下，这样易造成地脚螺栓被柱脚弯矩产生的拉力拔出来。

2.4支撑布置

支撑系统的布置原则是形成必要的空间稳定结构体系，除应符合CECS102∶2002的有关规定外，还应注意以下几点：1）柱间支撑与屋面支撑宜同时设置在相同的开间，当柱间支撑设在门、洞口位置处时，柱间支撑可采用人字形支撑，或将柱间支撑布置到相邻的开间，并设置刚性系杆；2）对采用轴柱的门式刚架，应向托架的左右两侧至少各延伸一个开间（即一道托架每侧至少两个开间）布置屋面纵向水平支撑，使相邻的刚架形成整体协调变形；3）当支撑采用十字交叉的圆钢时应采用张紧装置（如花篮螺栓）；4）张紧的圆钢作为支撑时没有长细比的限制，但是当尺寸较长时还是不容易张紧，不如改用型钢支撑更为可靠，同时更适应抗震设防烈度高的地区；5）利用吊车梁兼作柱间刚性系杆时，在吊车梁上翼缘设置一道隅撑与柱子外翼缘相连。

2.5构件设计

2.5.1主刚架设计

主刚架平面外的稳定计算，应选择合适的平面外支撑布置，与尽可能利用翼缘宽厚比限制加大翼缘宽度的方法综合比较，选择经济合理的方案。刚架梁分段点的选择除应考虑构件运输、抗风柱位置等因素外，还应结合刚架梁的弯矩包络图，选在弯矩比较小的位置。为利用腹板屈曲后强度，任一段梁腹板高度变化率不超过60mm/m。

2.5.2檩条设计

在檩条的设计中，有的设计人员只考虑檩条毛截面的承载能力，忽略檩条还有6％~15％由于开孔造成的截面削弱，造成檩条截面设计偏小。檩条宜优先采用实腹式构件，跨度大于9m时宜采用格构式构件，并应验算受压翼缘的稳定性。屋面檩条设计时，拉条距檩条上翼缘或下翼缘的高度应根据具体条件确定：1）当檩条的整体稳定受恒载+活载控制时，拉条应设在檩条的上翼缘处；2）当檩条的整体稳定受恒载+上吸风载控制时，拉条应设在檩条的下翼缘处；3）当屋面檩条上、下翼缘均需设置拉条时可分层设置拉条；4）当选用的屋面板（如角驰820型等）在构造上可沿垂直檩条方向伸缩时，不考虑屋面板能阻止檩条上翼缘侧向失稳；5）谨慎采用单层拉条错位拉的方式。Z形檩条与C形檩条相比较，Z形檩条适用于屋面坡度比较大的情况，而C形檩条在制作和安装上较Z形檩条简单，在具体工程上应比较选用。

2.6其他设计

有的门式刚架为了排水的要求需要而设置天沟，天沟的材料通常是钢材。天沟设计时不考虑天沟的保温隔热，这样就造成了天沟处室内外的热交换远远高于其他部位，不利于节能，而且冬季在室内天沟底部还易形成水滴，对门式刚架的使用有一定影响。在设计斜钢梁时，只考虑建筑上屋面的荷载，忽略了钢梁下悬吊的设备管线荷载，造成了钢梁截面设计偏小，造成安全隐患。

3、结语

总之，由于门式轻型钢结构由于其本身结构简单，质量轻，施工周期短等优点广泛应用于工厂、超市等建筑，在设计时要注意对结构风荷载的计算，对钢结构进行相应的力学分析，结合实际，设计出符合设计要求且经济实用。作为以平面刚架为主要受力单元的轻型钢结构，通过对支撑体系的合理布置、关键节点的处理及其他设计要点的把握，可以做到安全适用、经济合理、确保质量。

参考文献：

［1］刘树军、曹加林：《门式刚架轻型结构设计分析》，《现代冶金》，2009，37（3）：43-47．

［2］蔡益燕.门式刚架设计施工中的一些问题［J］．建筑钢结构，2004（4）：27－29．

［3］周学军．门式刚架轻钢结构设计与施工［M］．济南：山东科技出版社，2002．