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36米跨度轻型门式钢架结构设计前言我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期：1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构；自1990 年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。
门式钢刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中；钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用；薄壁彩钢板已大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中；钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中；冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。
现代钢结构体系由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。
人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。
但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。
例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。
这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。
事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。
所以，从结构工作机理和设计计算原理的角度出发，轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。
门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。
早期典型的门式钢刚架是1910 年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构；1932 年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构[1]。
现代轻型门式钢刚架体系是由国外钢结构专业公司引入我国的，它包括主结构系统（刚架、支撑、抗风柱等）、次结构系统（屋面和墙面檩条等）、辅助结构体系（挑檐、雨蓬、女儿墙、楼梯、吊车梁等）、围护板材体系、柱脚和基础等。
近年来钢结构建筑在我国出现了非常快的发展势头，应用范围不断扩大，目前，我国钢结构建筑的发展处在建国以来最好的一个时期。
第五章辅助结构系统轻型钢结构的辅助结构系统包括挑檐、雨篷、吊车梁、牛腿、楼梯、栏杆、检修平台和女儿墙等，它们构成了轻型钢结构完整的建筑和结构功能。
第一节雨篷和挑檐一、雨篷钢结构雨篷同钢筋混凝土结构雨篷一样，按排水方式可分为有组织排水和自由落水两种。
钢结构雨篷的主要受力构件为雨篷梁，其常用的截面形式有轧制普通工字钢、槽钢、H型钢、焊接工字形截面等，当雨篷的造型为复杂的曲线时亦可选用矩形管或箱形截面等。
在轻型门式刚架结构中，雨篷宽度通常取柱距，即每柱上挑出一根雨篷梁，雨篷梁间通过C型钢连接形成平面。
挑出长度通常为1.5m 或更大，视建筑要求而定。
雨篷梁可做成等截面或变截面，截面高度应按承载能力计算确定。
通常情况下雨篷梁挑出的长度较小，按构造做法，其截面做成与其相连的C型钢截面同高：当柱距为6m时，连接雨篷梁的C型钢为16＃，雨篷梁亦取16＃槽钢；当柱距为9m时，连接雨篷梁的C型钢为24＃，雨篷梁取25＃槽钢；有组织排水的雨篷可将天沟设置在雨篷的根部或将天沟悬挂在雨篷的端部，雨篷四周设置凸沿，以便能有组织的将雨水排入天沟内。
图5-1～5-3为几种常见雨篷的做法。
（a）(b)图5-1 自由落水雨篷(a)(b)(c)图5-2 有组织排水雨篷（a）A-A （b）B-B（c）C-C图5-3 雨篷节点详图二、挑檐在轻型门式刚架厂房结构中，通常将天沟（彩钢或不锈钢）放置在挑檐上，形成外天沟。
挑檐挑出构件的间距取柱距，即挑出构件作为主刚架的一部分，挑出构件之间由C型钢檩条连接，。
图5-4所示为典型的挑檐构造。
图5-4 典型的挑檐构造挑檐柱承受C型钢墙梁传递轻质墙体的竖向荷载和风荷载，挑檐梁主要承受考虑天沟积水满布荷载或积雪荷载。
挑檐各构件（挑檐柱、挑檐梁）截面通常采用轧制工字钢或高频H型钢，截面大小由承载力计算确定。
挑檐计算简图如图5-5所示，将挑檐柱和挑檐梁示作一个整体，端部与刚架柱固接，即作为悬臂构件计算。
通常情况下轻钢厂房结构的挑檐所承受的荷载较小，截面多选择200高的高频焊接H型钢。
YJK门式刚架设计用户例题展示：例题：单跨双坡门式刚架1.设计条件刚架跨度30m，柱高6m，柱距6m，屋面坡度1/10，柱网及平面布置见图，刚架形式及几何尺寸见图，屋面及墙面为压型钢板复合板。
檩条及墙梁为薄壁卷边C型钢，檩条间距1.5m，钢材采用Q345钢。
2.荷载（1）永久荷载标准值(水平投影)屋面板及保温屋0.35 KN/m2檩条、拉条、支撑等0.05 KN/m2悬挂设备及照明灯0.10 KN/m2合计0.5KN/m2;（2）可变荷载标准值屋面活荷0.5KN/m2（3）风荷载标准值基本风压值0.5KN/m2;地面粗糙度系数按B类取值；风荷载高度变化系数按现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定采用。
当高度小雨10m时按10m高度处的数值采用，μ2=1.0；风荷载体型系数按荷载规范表8.3.1取用。
3.构件设计（1）门式刚柱、门式刚梁根据门规宽厚比、高厚比要求选用截面分别为：变截面柱H600~400x300x8x12,门式刚梁分成三段截面分别为：变截面H600~400x300x8x12,等截面H400x300x8x12, 变截面H400~600x300x8x12;（2）压型钢板厚度0.6mm。
（3）檩条选用C型薄壁卷边槽钢，檩条间距1.5m，（4）屋面支撑系统：水平交叉支撑采用∅16圆钢；（5）边跨及屋脊系杆采用圆钢管∅200×180；（6）柱间交叉支撑采用角钢L80x6；（7）抗风柱截面为H400x250x8x10.一：建模型采用普通建模方式1：布置网格2：布置门式刚柱、门式刚梁（1）变截面边柱要根据柱外皮位置来定义垂直边（2）由于工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮，可以填写偏轴偏心来实现，并在支撑布置以及边跨系杆布置时也要考虑偏心；也可以不考虑柱偏心避免建模的繁琐，使两边跨轴线向屋脊线各移动H（小头）/2，轴线跨度减小400即可。
如下轴线网格：3：布置柱间支撑及抗风柱4：布置屋面系杆、交叉支撑5：点高找坡使用三点点高时首先要选择三点来确定一个面，然后选择在这个面上的构件。
门式刚架结构设计1 设计资料单跨双坡门式刚架轻钢厂房长度60m ，柱距6m ，刚架跨度24m ，屋面坡度为1：10。
刚架柱在柱高一半处设有侧向支撑。
屋面采用双层压型钢板复合保温板，屋面檩条间距为3m，在每根檩条位置处都有隅撑与梁下翼缘相连。
柱脚采用铰接柱脚。
梁柱节点连接采用高强度螺栓连接(摩擦型)，材质采用Q235B。
截面：梁为焊接等截面梁:H ‐600×300×8×12 翼缘为轧制边柱为焊接工字形截面(变截面) H ‐(600‐300)×300×8×12 翼缘为轧制边 荷载条件(标准值)：雪荷载：0.402m kN 基本风压：0.652m kN 积灰荷载：0.32m kN 屋面活荷载：0.502m kN双层压型钢板复合保温板：0.202m kN 檩条及支撑重：0.152m kN轻质墙面(包括墙骨架等)：0.202m kN 。
图1 刚架简图2 荷载计算(1) 恒载刚架梁：双层压型钢板复合保温板：0.20×6=1.2 m kN檩条及支撑重：0.15×6=0.9 m kN梁自重： 0.92m kN合计：刚架梁上荷载：3.02 m kN柱：轻质墙面(包括墙骨架等)：0.20×6=1.2 m kN自重(取柱中间截面计算)：0.828m kN合计：2.028 m kN(2) 活荷载屋面活荷载标准值为0.502m kN ，刚架受荷面积为24×6=1442m ＞602m ，所以屋面活荷载标准值取为0.302m kN (规程3.2.2条) 。
雪荷载为0.402m kN ，计算时取屋面活荷载和雪荷载中的较大值，即取0.402m kN 计算。
屋面活荷载和雪荷载中的较大值：0.4×6=2.4 m kN积灰荷载：0.3×6=1.8 m kN(3) 风荷载风荷载体型系数s μ按《门规》封闭式建筑类型中间区的风荷载体型系数采用，体系系数图2风荷载体型系数见图2 。
轻型门式刚架——计算原理和设计实例<9>来源： 发布时间：06-06 编辑：段文雁二、设计实例一1 设计资料门式刚架车间柱网布置：长度60m；柱距6m；跨度18m。
刚架檐高：6m；屋面坡度1：10；屋面材料：夹心板；墙面材料：夹心板；天沟：钢板天沟；基础混凝土标号为C25，fc=12.5 N/mm2；材质选用：Q235-B f=215 N/mm2 f=125 N/mm2。
2 荷载取值静载：为0.2 kN/m2；活载：0.5 kN/m2 ；雪载：0.2 kN/m2；风载：基本风压W0=0.55 kN/m2，地面粗糙度B类，风载体型系数如下图：图3-41 风载体型系数示意图3 荷载组合(1). 1.2 恒载+ 1.4 活载(2). 1.0 恒载+ 1.4 风载(3). 1.2 恒载+ 1.4 活载+ 1.4×0.6 风载(4). 1.2 恒载+1.4×0.7 活载+ 1.4 风载4 内力计算（1）计算模型图3-42 计算模型示意图（2）工况荷载取用恒载活载左风右风图3-43 刚架上的恒载、活载、风载示意图各单元信息如下表：表3-5 单元信息表单元号截面名称长度(mm) 面积(mm2) 绕2轴惯性矩(x104mm4) 绕3轴惯性矩(x104mm4)1 Z250~450x160x8x10 5700 54407040 973974 5998227282 L450x180x8x10 9045 7040 974 227283 L450x180x8x10 9045 7040 974 22728表中：面积和惯性矩的上下行分别指小头和大头的值图3-44 梁柱截面示意简图（3）计算结果刚架梁柱的M、N、Q见下图所示：图3-45 恒载作用时的刚架M、N、Q图图3-46 活载作用时的刚架M、N、Q图图3-47 （左风）风载作用时的刚架M、N、Q图选取荷载效应组合：（1.20 恒载+ 1.40 活载）情况下的构件内力值进行验算。
组合内力数值如下表所示：表3-6 组合内力表单元号小节点轴力N(kN) 小节点剪力Q2(kN) 小节点弯距M(kN.m) 大节点轴力N(kN) 大节点剪力Q2(kN) 大节点弯距M(kN.m)1 -67.97 23.16 0.00 -56.89 -23.16 132.032 -28.71 -54.30 -132.03 -23.05 -2.30 -103.143 -23.05 -2.30 103.14 -28.71 -54.30 132.034 -56.89 -23.16 -132.03 -67.97 23.16 0.005构件截面验算根据协会规程第(6.1.1)条进行板件最大宽厚比验算。
翼缘板自由外伸宽厚比：（180-8）/（2×10）=8.6<15，满足协会规程得限值要求；腹板宽厚比：(450-2×10)/8=54<250，满足协会规程的限值要求。
腹板屈曲后强度的抗剪承载力设计值按如下考虑：腹板高度变化率：(450-250)/5.7=35mm/m<60 mm/m，故腹板抗剪可以考虑屈曲后强度。
加劲肋间距取为2hw，则其抗剪承载力设计值为：其中，因为，所以1）1号单元（柱）的截面验算I. 组合内力值如下：1号节点端M12= 0.00 kN.m N12= —67.97 kN Q12= 23.16 kN2号节点端M21= 132.03 kN.m N21= —56.89 kN Q21= 23.16 kNII. 强度验算先计算1号节点端。
67.97×103/5440=12.49N/mm2用代替式(6.1.1-7)中的fy。
=1.087×12.49=13.58 N/mm2，弯矩为0，故截面边缘正应力比值1.0。
根据规程中式(6.1.1-8)求得=4.0，进而得到=29/(28.1×2×4.2)=0.12。
因为=0.12，所以有效宽度系数=1，即此时1号节点端截面全部有效。
QAB1号节点端截面强度满足要求。
再验算2号节点端：=138.79 N/mm2= —122.62 N/mm2用代替规程中式(6.1.1-7)中的fy。
=1.087×133.15=150.86 N/mm2，截面边缘正应力比值—0.8883。
根据规程中式(6.1.1-8)求得= 51.310，进而得到=0.215。
因为=0.215，所以有效宽度系数=1，即此时2号节点端截面全部有效。
2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第(6.1.2)条的第三款规定进行验算。
QBA <0.5d = 3440×125×0.5=215 kN (采用规程中式（6.1.2-3a）计算)=（215－56890/7040）×1010133= 209.02 kN.mM< ，故2号节点端截面强度满足要求。
III. 稳定验算对于1号单元（柱），已知柱平面外在柱高4m处设置柱间支撑，即平面外计算长度L0y=4000mm。
根据协会规程第6.1.3条可求出截面高度呈线性变化柱子的计算长度系数。
柱小头惯性矩Ic0=5998×104mm4，柱大头惯性矩Ic1= 22728×104mm4，Ic0/ Ic1= 0.264。
梁的最小截面惯性矩Ib0= 22728×104mm4，梁为等截面，斜梁换算长度系数取1.0。
对于横梁=22728×104/（2×1.0×9045）=12564，对于柱=22728×104/5700=39874，所以K2/ K1=0.315。
查规程中表6.1.3可得=1.429，平面内计算长度L0x=8150mm。
变截面柱在平面内的稳定性按照规程中第6.1.3条的规定进行验算。
=78，查表得=0.701，=1834 kN。
稳定验算公式为：=17.82+134.19=152.01 N/mm2<215 N/mm2变截面柱在平面外的稳定性按照规程第6.1.4条的规定进行验算。
=95，查表得=0.588，楔率为=0.8。
1号单元柱一端弯矩为0，故=0.96，=1.518，=1.035，=197，=1.22。
因为>0.6，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的=0.813代替，即=0.813。
平面外稳定的验算公式：=21.25+154.92=176.17 N/mm22）2号单元（梁）的截面验算I. 组合内力值如下：2号节点端M23= 132.03 kN.m N23= —28.71 kN Q23= 54.30 kN3号节点端M32= 103.14 kN.m N32= —23.05 kN Q32= 2.30 kNII. 强度验算先计算2号节点端。
=134.78 N/mm2= —126.63 N/mm2故截面边缘正应力比值—0.94。
用代替规程中式(6.1.1-7)中fy。
=1.087×134.78=146.51 N/mm2。
根据式规程中四式(6.1.1-8)求得=84.19，进而得到=0.165。
因为=0.0.165，所以有效宽度系数=1，即此时2号节点端截面全部有效。
2号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第6.1.2条的第三款规定进行验算。
QBC<0.5d = 3440×125×0.5=430 kN (采用规程中式6.1.2-3a计算)=（215－28710/7040）×1010133=213.06 kN.mM< ，故2号节点截面强度满足要求。
再验算3号节点端。
=105.38 N/mm2= —98.83 N/mm2故截面边缘正应力比值—0.938。
用代替规程中式(6.1.1-7)中的fy，=1.087×128.95=114.55 N/mm2，根据规程中式(6.1.1-8)求得= 82.521，进而得到=0.148。
因为=0.148，所以有效宽度系数=1，即此时3号节点端截面全部有效。
3号节点端同时受到压弯作用，根据协会规程第6.1.2条的第三款规定进行验算。
QCB<0.5d = 3440×125×0.5=215 kN (采用规程中式6.1.2-3a计算)=（215－23050/7040）×1010133=213.87 kN.mM< 故3号节点截面强度满足要求。
III．稳定验算根据协会规程第6.1.6条第一款的规定，实腹式刚架梁当屋面坡度小于10°时，在刚架平面内可可仅按压弯构件计算其强度。
本例的屋面坡度为5.7°小于10°，故可不验算梁平面内的稳定性。
刚架梁平面外的稳定性按照钢结构设计规范GBJ17-88第五章第二节的规定进行验算2号单元（梁）。
已知梁平面外侧向支撑点间距为3000 mm，即平面外计算长度L0y=3000mm。
梁的最小截面惯性矩Ib0y=974×104mm4，梁为等截面。
=81，查表得=0.681，=1.0，按照如下公式确定：=0.922因为>0.6，按照现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88的规定，查出相应的=0.739代替，即=0.739。
按2号节点端的受力验算构件平面外的稳定性：=5.99+176.75=182.74 kN.m6 连接节点计算（1）梁柱节点采用如下图所示的连接形式。
图3-48 梁柱连接节点示意图连接处的组合内力值：M = 132.03 kN.m，N = —28.71 kN，Q = 54. 30 kN。
1）.螺栓验算若采用摩擦型高强度螺栓连接，用8.8级M20高强螺栓，连接表面用钢丝刷除锈，，每个螺栓抗剪承载力为：=0.9×1×0.3×110000=29.7KN。
抗剪需用螺栓数量n=54.30/29.7=2，初步采用8个M20高强螺栓。
螺栓群布置如图3-49所示：图3-49 梁柱连接节点螺栓群布置图螺栓承受的最大拉力值按照如下公式计算（其中y1=270，y2=178，y3=113，y4=48各有4个螺栓）：== —1.794+74.480=72.69kn<0.8P=88kn以上计算说明：螺栓群抗剪、抗弯均满足要求。
2）连接板厚度的设计端板厚度t根据支承条件计算确定。
在本例中有两种计算类型：两边支承类端板（端板平齐）以及无加劲肋端板，分别按照协会规程中相应的公式计算各个板区的厚度值，然后取最大的板厚作为最终值。
两边支承类端板（端板平齐）：ef=42 mm，ew=40 mm，Nt=72.69 kn，b=180 mm，f=215 mm。
