轻型门式刚架设计工程实例分析

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。

32t吊车门式刚架轻钢厂房的结构设计导言本文重点介绍了某管桩有限公司带32t吊车门式刚架轻钢厂房的刚架和吊车梁的设计，屋面和柱间支撑的设计，檩条及和墙梁的设计。

同时对本工程设计中几个主要问题的处理，也进行了较详细的讨论和介绍，可供同类工程设计时参考。

工程概况某管桩公司生产车间位于河北，厂房长度为6×23=138m，宽度为24+21=45m，屋面坡度为8%，双屋脊，建筑面积为6400㎡，其中：24m跨有32/5t桥式吊车一台，20t/5t桥式吊车二台，21m跨有10t桥式吊车一台，5t单梁桥式吊车一台（以上吊车工作级别均为A5），牛腿标高6.900，柱顶标高11.500，屋面为角驰Ⅱ暗扣式单层压型钢板+75厚吸音保温棉+不锈钢丝网，墙面为单层压型钢板。

本工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，屋面活荷载对于刚架构件，其受荷水平投影面积大于60㎡，取为0.3kN/㎡，雪荷载为0.45kN/㎡，故取较大值为0.45kN/㎡；屋面活荷载对于檁条，屋面板等局部构件取值则为0.5kN/㎡；基本风压为0.45kN/㎡，地面粗糙度类别为B类；抗震设防烈度为6度。

刚架构件材质采用Q345B；吊车梁因其工作较频繁，需要进行疲劳验算，而最低日平均温度为-6℃，要求所选钢材应具有0℃冲击韧性的合格保证，故吊车梁材质采用Q345C，其它檩条，墙梁，支撑材质采用Q235B。

计算软件采用PKPM的STS软件。

刚架和吊车梁的设计考虑制作安装简便，刚架柱，梁均采用实腹式焊接H型钢，门式刚架用STS 软件进行分析计算时，对屋面活荷载考虑其各跨的不利布置，对吊车的竖向及水平荷载，当参于组合的吊车台数为2台时，对其进行折减，折减系数取为0.9。

由于桥式吊车起重量为32t，已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（下称轻钢规范）的适用范围，故刚架柱采用《钢结构设计规范》（下称钢结构规范）验算，由于吊车梁可作为柱子的侧向支承点，故下柱平面外计算长度取为7.5m 即基础面至牛腿面的长度，上柱平面外计算长度取为4.6，即牛腿面至柱顶的长度；而对于屋面变截面梁，由于钢结构规范只能用等效截面来验算，会存在一定误差，所以屋面变截面梁的强度和稳定仍按轻钢规范来验算，其平面外计算长度取为两屋面隅撑之间的距离，对于屋面变截面梁的挠度则按钢结构规范从严控制。

门式刚架设计实例(总27页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--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= N/mm2；材质选用：Q235-B f=215 N/mm2 f=125 N/mm2。

2 荷载取值静载：为 kN/m2；活载： kN/m2 ；雪载： kN/m2；风载：基本风压W0= 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). 恒载 + 活载(2). 恒载 + 风载(3). 恒载 + 活载+ × 风载(4). 恒载+× 活载 + 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 973974 82 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：（恒载 + 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 大节点轴力N(kN) 大节点剪力Q2(kN) 大节点弯距M12345构件截面验算根据协会规程第条进行板件最大宽厚比验算。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》的变化及算例分析袁霞【摘要】门式刚架轻型结构房屋是钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构式.近年来随着我国经济水平的不断提高,结构安全性就显得越来越重要,另外一些相关的结构规范也已经相继改版.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002(以下简称《门刚规程》)已经显得落后于社会的发展,为适应这些相应的需求,新的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015(以下简称《门刚规范》)于2016年8月份正式实施.《门刚规范》相较于《门刚规程》来说不单是从规程提高为规范,在内容上也做很大的改动,文中将从多个方面来介绍《门刚规范》的变化,并通过算例进行分析,以方便设计人员熟练使用新的规范.【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2017(014)004【总页数】7页(P75-81)【关键词】《门刚规范》;抗震设计;构件设计【作者】袁霞【作者单位】中色科技股份有限公司,河南洛阳471039【正文语种】中文【中图分类】TU392.5门式刚架轻型结构房屋是钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构式。

它是用轻型焊接H形钢(等截面或变截面)、热轧H形钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢等作檩条、墙梁；以压型金属板(压型钢板、压型铝板)做屋面及墙面，并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系[5]。

门式刚架轻型结构体系在国内外应用极为广泛，最早始于美国，日本和欧洲门式刚架轻型结构体系的应用也较多。

由于该结构形式具有许多其它结构所不具备的优点，而且经济效益十分显著，因此这种结构形式在国外一经推出就得到了广泛应用。

我国门式刚架结构体系起步较晚，最初是在引进国外相关材料和软件的基础上发展起来的。

由于我国多年来一直从节约钢材和资金的角度出发，对建筑钢结构采取限制使用的政策，因此门式刚架结构体系未得到长足的发展，无论是设计水平，还是施工水平，与国外相比，都有较大的差距[6]。

刚架轻型房屋钢结构设计门式刚架为一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、山墙骨架等。

门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。

门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，经历了近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系。

从人类发展历史看,建筑形式与结构体系的产生与发展总与一定时期的生产和生活水平密切相关,门式刚架轻型房屋钢结构的产生也有着特定的历史背景。

轻型钢结构在国外发展较早,最初是随着汽车工业的发展,主要用于建造私人车库等简易房屋。

第二次世界大战期间,由于战争的需要,轻型房屋钢结构主要用于建造一些拆装方便的营房和库房。

门式刚架轻型房屋钢结构最早起源于美国,并且发展最快、应用最广。

后来在欧洲、日本和澳大利亚等国也得到了广泛发展和应用。

因其构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点,此种结构形式一经推出就深受建筑业喜爱。

上世纪20世纪中期,建筑钢材产量大增,钢材的冶炼水平也有了很大突破,色彩丰富、耐久性强的彩色压型钢板随之出现, H型钢和冷弯薄壁型钢相继问世,这些都极大地推动了门式刚架轻型房屋钢结构的发展。

加之加工设备的不断改善,设计形式的多样化,使门式刚架轻型房屋钢结构体系逐渐应用于大型工业厂房、商业建筑及公共交通设施等。

实现了结构分析、设计、出图的程序化,构件加工的工厂化,安装施工和经营管理的一体化流程。

目前,大部分国外轻钢结构公司都具有自己的门式刚架轻型房屋钢结构系列,由于门式刚架构件的刚度良好,其平面内、外的刚度差别较小,为制作、运输、安装提供了较有利的条件。

结构构件可全部在工厂制作,工业化程度高,运输便捷,安装方便快速,土建施工量小,综合经济效益高。

在美国、日本等一些钢结构技术比较发达的国家,门式刚架轻型房屋钢结构体系已经作为一种及既经济又快捷的建筑结构体系,以商品的形式对外出售。

门式刚架设计例题门式刚架轻型房屋钢结构图集以下是五个门式刚架设计例题的轻型房屋钢结构图集。

每个数据集都包含大约250个字。

例题1：门式刚架设计-轻型钢结构这个设计例题展示了一个轻型钢结构门式刚架的设计方案。

该方案基于建筑物的使用需求和工程条件，并结合了钢材的特性和优势来实现。

设计图集包括房屋的平面布置图、剖面图和详细的建筑物尺寸和钢材规格。

此外，还包括门式刚架的节点连接细节和房屋的承载体系等信息。

例题2：门式刚架设计-轻型房屋钢结构施工图这个设计例题展示了一个轻型房屋钢结构门式刚架的施工图。

施工图集包括门式刚架的整体布置图、内外墙立面图、构造剖面图以及具体的建筑结构尺寸和钢材规格。

此外，还包括门式刚架的节点连接细节、承重墙和墙柱的布置等信息。

施工图集的目的是提供给施工人员清晰且可执行的工程图纸，以便他们能够准确地落地到实际施工中。

例题3：门式刚架轻型房屋钢结构节点设计这个设计例题展示了门式刚架轻型房屋钢结构的节点设计。

节点设计是门式刚架设计中至关重要的一部分，它直接影响着房屋的稳定性和承载能力。

设计图集包括门式刚架各个节点的细节剖面图和节点构造图。

每个节点的设计要求和材料规格也被详细列出。

此外，还包括节点连接的焊接方法和规范要求。

例题4：门式刚架轻型房屋钢结构承载体系设计这个设计例题展示了门式刚架轻型房屋钢结构的承载体系设计。

承载体系设计是门式刚架设计的基础，它确定了建筑物的整体结构和承载能力。

设计图集包括门式刚架承载体系的平面布置图、剖面图和细节构造图。

详细说明了承载体系的构成、每个构件的规格和承载能力要求。

此外，还包括门式刚架的荷载计算结果和结构安全性分析。

例题5：门式刚架轻型房屋钢结构材料选择这个设计例题展示了门式刚架轻型房屋钢结构的材料选择。

材料选择是门式刚架设计中至关重要的一环，它直接影响到房屋的质量和使用寿命。

设计图集包括门式刚架使用的各种钢材的规格和特性。

钢材的选择是根据构件的功能、承载能力和经济性来确定的。

门式刚架轻钢结构设计分析摘要：对于门式刚架而言，其属于轻型房屋钢结构中非常重要的一种结构形式。

在对门式刚架轻型钢结构进行实际设计的过程中，其设计阶段的不同，实际的特点也有极大的不同，在进行设计的过程中，必须要对其中实际存在的主要矛盾进行全面的了解并掌握，以结构设计的基本原则作为实际的依据，将科学合理的技术措施应用进来，最终使更加经济、耐久、安全的结构设计出来。

基于此，本篇文章主要对门式刚架轻钢结构的设计进行深入的分析和探讨。

关键词：门式刚架轻钢结构设计分析前言：就门式刚架轻型钢结构来讲，其主要有以下特点和特征：首先，就是形式非常多，其次，就是布置具备灵活性，最后就是可以使各种使用功能的厂房设计要求得以满足。

与以往的普通钢结构相比，门式刚架轻钢结构不但具备施工速度快的特点，还具备施工速度快的特点，不仅如此，其质量相对较轻，是普通钢结构的1/2~1/3，非常便于施工。

除此以外，门式刚架轻钢结构的主要结构不仅有主钢架，还有基础和支撑体系、抗风柱等。

1.门式刚架节点和梁柱连接设计在对门式刚架与柱进行实际连接的过程中，其必须要将刚接的方式采取进来，正常情况下，有以下几种方式，即腹板焊接、腹板栓接、翼缘焊接、翼缘栓接，而具体采取哪一种方式，则要依据与梁柱截面的大小以及实际摆放的位置。

在梁祝钢接的过程中，其最重要的保障就是梁柱节点端板，对于端板的摆放形式而言，其主要有以下三种，即横放、竖放和斜放，在对端板连接进行设计的过程中，IXUS要以实际承受最大的内力为基础进而进行设计。

如果实际的内力相对较小，在进行端板连接的谷草中，要以其承受不小于较小被连接构建截面承载力的一般为基础，进而进行设计。

在对主钢架构件进行实际连接的过程中，必须要将高强度的螺栓应用进来，进而对其连接，其主要包含两种类型，即承压型和摩擦型。

如果在对端板进行连接的过程中，其只会受到弯矩或者是轴向力的作用，又或者是实际的剪力比抗滑移承载力小很多，则可以不对端板的表面进行针对性的处理。

门式钢架设计实例（带计算书）门式刚架⼚房设计计算书门式刚架⼚房设计计算书⼀、设计资料该⼚房采⽤单跨双坡门式刚架，⼚房跨度21m ，长度90m ，柱距9m ，檐⾼7.5m ，屋⾯坡度1/10。

刚架为等截⾯的梁、柱，柱脚为铰接。

材料采⽤Q235钢材，焊条采⽤E43型。

22750.6450/160/mm EPS mm N mm g mm ≥2y 屋⾯和墙⾯采⽤厚夹芯板，底⾯和外⾯⼆层采⽤厚镀锌彩板，锌板厚度为275/gm ；檩条采⽤⾼强镀锌冷弯薄壁卷边Z 形钢檩条，屈服强度f ，镀锌厚度为。

(不考虑墙⾯⾃重)⾃然条件：基本风压：20.5/O W KN m =，基本雪压20.3/KN m 地⾯粗糙度B 类⼆、结构平⾯柱⽹及⽀撑布置该⼚房长度90m ，跨度21m ，柱距9m ，共有11榀刚架，由于纵向温度区段不⼤于300m 、横向温度区段不⼤于150m ，因此不⽤设置伸缩缝。

檩条间距为1.5m 。

⼚房长度>60m ，因此在⼚房第⼆开间和中部设置屋盖横向⽔平⽀撑；并在屋盖相应部位设置檩条、斜拉条、拉条和撑杆；同时应该在与屋盖横向⽔平⽀撑相对应的柱间设置柱间⽀撑，由于柱⾼<柱距，因此柱间⽀撑不⽤分层布置。

（布置图详见施⼯图）三、荷载的计算1、计算模型选取取⼀榀刚架进⾏分析，柱脚采⽤铰接，刚架梁和柱采⽤等截⾯设计。

⼚房檐⾼7.5m ，考虑到檩条和梁截⾯⾃⾝⾼度，近似取柱⾼为7.2m ；屋⾯坡度为1：10。

因此得到刚架计算模型：2.荷载取值屋⾯⾃重：屋⾯板：0.182/KN m 檩条⽀撑：0.152/KN m 横梁⾃重：0.152/KN m 总计：0.482/KN m 屋⾯雪荷载：0.32/KN m屋⾯活荷载：0.52/KN m （与雪荷载不同时考虑）柱⾃重：0.352/KN m风载：基本风压200.5/W kN m = 3.各部分作⽤荷载：（1）屋⾯荷载：标准值： 10.489 4.30/cos KN M θ=柱⾝恒载：0.359 3.15/KN M ?=kn/m（2）屋⾯活载屋⾯雪荷载⼩于屋⾯活荷载，取活荷载10.509 4.50/cos KN M θ=（3）风荷载010 1.0k z s z s h m ωµµωµµ=≤ 以风左吹为例计算，风右吹同理计算：根据公式计算:根据查表，取，根据门式刚架的设计规范，取下图：（地⾯粗糙度B 类）风载体形系数⽰意图2122231.00.250.50.125/0.1259 1.125/1.0 1.00.50.50/0.509 4.5/1.00.550.50.275/0.2759 2.475/1.00.650kN m q kN m kN m q kN m kN m q kN m ωωωω∴=??==?==-??=-=-?=-=-??=-=-?=-=-??k k k k 迎风⾯侧⾯，屋顶，背风⾯侧⾯，屋顶24.50.325/0.3259 2.925/kN m q kN m =-=-?=-，荷载如下图：kn/m4.内⼒计算：（1）截⾯形式及尺⼨初选：梁柱都采⽤焊接的H型钢68:梁的截⾯⾼度h⼀般取(1/301/45)l,故取梁截⾯⾼度为600mm；暂取H600300，截⾯尺⼨见图所⽰柱的截⾯采⽤与梁相同截⾯截⾯名称长度()mm⾯积2()mmx I 64(10)mm ?x W 43(10)mm ?y I 64(10)mm ?y W 43(10)mm ?x i柱 60030068H7200 9472 520 173 36 24234 61.6 梁60030068H10552 9472520 173 36 24234 61.68668612522.0610947210 1.9510, 2.06105201010 1.0710x EA kn EI kn m --==?=?=??（2）截⾯内⼒：根据各个计算简图，⽤结构⼒学求解器计算，得结构在各种荷载作⽤下的内计算项⽬计算简图及内⼒值(M 、N 、Q) 备注恒载作⽤恒载下弯矩恒载下剪⼒弯矩图剪⼒图“+” →轴⼒图(拉为正，压为负)恒载下轴⼒（忽略柱⾃重）活荷载作⽤活荷载(标准值) 弯矩图弯矩图活荷载作⽤活荷载(标准值)剪⼒图活荷载(标准值)轴⼒图剪⼒图“+”→轴⼒图(拉为正，压为负)作⽤风荷载(标准值)弯矩图.弯矩图剪⼒图“+”风荷载(标准值)剪⼒图风荷载(标准值)轴⼒图→轴⼒图(拉为正，压为负)向作⽤，风荷载只引起剪⼒不同，⽽剪⼒不起控制作⽤)按承载能⼒极限状态进⾏内⼒分析，需要进⾏以下可能的组合：① 1.2*恒载效应+1.4*活载效应② 1.2*恒载效应+1.4*风载效应③ 1.2*恒载效应+1.4*0.85*{活载效应+风载效应}取四个控制截⾯：如下图：各情况作⽤下的截⾯内⼒截⾯内⼒恒载活载左风Ⅰ－ⅠM000 N-45.36-47.2546.95 Q-19.32-18.0524.55内⼒组合值控制内⼒组合项⽬有：与相应的N，V(以最⼤正弯矩控制)①＋Mmax与相应的N，V(以最⼤负弯矩控制)②－Mmax③ N与相应的M，V(以最⼤轴⼒控制)max与相应的M，V(以最⼩轴⼒控制)④ Nmin所以以上内⼒组合值，各截⾯的控制内⼒为：1-1截⾯的控制内⼒为0120.5848.45M N KN Q KN ==-=-，，2-2截⾯的控制内⼒为335.33120.5848.45M KN M N KN Q KN =-?=-=-，， 3-3截⾯的控制内⼒为335.3364.30115.40M KN M N KN Q KN =-?=-=，， 4-4截⾯的控制内⼒为246.7857.82 5.79M KN M N KN Q KN =?=-=，， A ：刚架柱验算：取2-2截⾯内⼒平⾯内长度计算系数：00010.520.45 1.4620.45 1.46 2.667.27.2 2.6619.1x R R l K I H H Mµµ=+==∴=+?==?=c I ，其中K=，，，7200/23600mm ==0Y 平⾯外计算长度：考虑压型钢板墙⾯与墙梁紧密连接，起到应⼒蒙⽪作⽤，与柱连接的墙梁可作为柱平⾯外的⽀承点，但为了安全起见计算长度按两个墙梁间距考虑，即H19100360081.658.423461.6x y λλ∴====，⑴局部稳定验算构件局部稳定验算是通过限制板件的宽厚⽐来实现的。

文章编号:１００９￣６８２５(２０２０)１６￣００３８￣０３轻型门式刚架结构设计收稿日期:２０２０￣０４￣２９㊀作者简介:沈玉光(１９８６￣)ꎬ男ꎬ硕士ꎬ工程师沈玉光(中国轻工业武汉设计工程有限责任公司ꎬ湖北武汉㊀４３００００)摘㊀要:以某工业建筑综合生产车间三跨门式刚架轻型钢结构工程为例ꎬ介绍了门式刚架结构的设计过程ꎮ通过对比主钢架分别采用Ｑ２３５Ｂ钢材及Ｑ３４５Ｂ钢材的用钢量和对比屋面分别采用简支檩条及连续檩条方案ꎬ可知采用Ｑ３４５Ｂ钢材和屋面连续檩条为更加经济合理的方案ꎮ通过对门式刚架结构的结构设计分析ꎬ为类似的门式刚架结构设计提供参考ꎮ关键词:门式刚架ꎬ计算长度系数ꎬ柱脚节点ꎬ应力比ꎬ檩条中图分类号:ＴＵ３１８文献标识码:Ａ０㊀引言单层门式刚架结构是指以轻型焊接Ｈ型钢(等截面或变截面)㊁热轧Ｈ型钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架ꎬ用冷弯薄壁型钢(槽钢㊁卷边槽形㊁Ｚ形等)做檩条㊁墙梁ꎻ以压型金属板(压型钢板㊁压型铝板)做屋面㊁墙面ꎻ采用聚苯乙烯泡沫塑料㊁硬质聚氨酯泡沫塑料㊁岩棉㊁矿棉㊁玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系ꎮ门式刚架结构具有质量轻㊁工业化程度高ꎬ施工周期短㊁综合经济效益高㊁柱网布置比较灵活等优点ꎬ较多被采用[１]ꎮ１㊀本工程的设计条件１.１㊀建筑条件本工程结构形式为轻型门式刚架结构ꎬ建筑面积３３２１.０２ｍ２ꎬ建筑高度１１.４００ｍ(女儿墙顶部至室外地面高度)ꎬ轻钢屋面排水坡度为５％ꎬ墙体１.０００ｍ以下为煤矸石多孔砖ꎬ以上为１００ｍｍ厚玻璃棉夹心组合式彩板墙体ꎬ燃烧性能Ａ级ꎬ屋面采用双层玻璃棉夹心组合压型钢板ꎮ在④轴~⑦轴之间有５ｔ的桁车ꎮ１.２㊀设计参数及荷载本工程位于湖北省鄂州市ꎬ主体结构设计使用年限为５０年ꎻ结构的安全等级为二级ꎻ建筑抗震设防类别:丙类ꎻ设防烈度６度ꎻ基本地震加速度０.０５ｇꎻ设计地震分组第Ⅰ组ꎻ场地土类别:Ⅲ类ꎮ基本风压:０.３５(ˑ１.１)ｋＮ/ｍ２ꎻ地面粗糙度类别:Ｂ类ꎻ基本雪压:０.６ｋＮ/ｍ２(按１００年重现期)ꎮ屋面板㊁檩条的施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)不得超过１.０ｋＮꎮ屋面恒荷载０.３ｋＮ/ｍ２ꎬ屋面活荷载计算钢梁取０.３ｋＮ/ｍ２ꎬ计算檩条时取０.５ｋＮ/ｍ２ꎮ２㊀结构体系布置根据ＧＢ５１０２２ ２０１５门式刚架轻型房屋钢结构技术规范规定ꎬ门刚纵向伸缩缝间距为３００ｍ[２]ꎮ支撑设置:端部支撑宜在温度区段端部第一或者第二开间设置柱间竖向支撑ꎬ同时在对应的位置设置屋面水平支撑ꎮ柱间支撑应设置在侧墙柱列ꎮ当有吊车时ꎬ每个吊车跨两侧柱列均应设置吊车柱间支撑ꎮ柱间支撑间距取３０ｍ~４５ｍꎮ当房屋宽度大于６０ｍ时内柱列宜适当设置支撑ꎮ有不小于５ｔ的吊车房屋柱间支撑宜采用角钢ꎮ本工程在温度区段端部第一跨布置屋面水平支撑和柱间竖向支撑ꎬ支撑间距为３９.１００ｍꎮ在屋脊处及边柱柱列顶部布置刚性系杆ꎮ柱脚节点设计:有吊车的内柱列柱脚做刚接柱脚ꎬ顶部与梁刚接ꎮ外柱列做铰接柱脚ꎬ顶部与梁刚接ꎮ构件设计:采用Ｑ３４５Ｂ材质ꎬ柱初选截面时ꎬ内柱列柱采用等截面Ｈ型钢柱ꎬ外柱列柱采用变截面Ｈ型钢柱ꎮ变截面柱在柱脚处的高度不宜小于２００ｍｍ~２５０ｍｍꎮ在一个跨度内ꎬ变截面梁端高不宜小于跨度的１/４０~１/３５ꎬ中段高度则不小于跨度的１/６０ꎮ本工程经初选截面并试算调整后ꎬ中间榀钢架边柱为焊接Ｈ型钢Ｈ(３００~７００)ˑ３００ˑ８ˑ１４ꎬ中柱采用Ｈ５００ˑ２５０ˑ８ˑ１２ꎮ山墙端榀边柱Ｈ(３００~７００)ˑ３００ˑ８ˑ１２ꎬ中柱采用Ｈ５００ˑ２５０ˑ８ˑ１２ꎮ宽厚比限值为１５２３５/ｆｙꎬ高厚比限值为２５０２３５/ｆｙꎮ屋Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒＬｉｕＹａｎｇ㊀ＺｈａｎｇＹｕ㊀ＷａｎｇＬｉ㊀ＪｉａｏＺｈｉｓｅｎ(ＴｈｅＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＱｉｑｉｈａｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＱｉｑｉｈａｒ１６１００６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒꎬａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｓｏｍｅｄｏ￣ｍｅｓｔｉｃｓｃｈｏｌａｒｓｏｎｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄꎬｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆａｃ￣ｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｓｅｃｔｉｏｎａｌｓｔｅｅｌｒａｔｉｏꎬｓｌｅｎｄｅｒｎｅｓｓｒａｔｉｏꎬｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｓｔｅｅｌｔｙｐｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓｗｉｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒａｎｄｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｐｅｃｉａｌ￣ｓｈａｐｅｄｃｏｌｕｍｎｓꎬｃｏｎｃｒｅｔｅ￣ｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｕｌａｒꎬＡＢＡＱＵＳ８３ 第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山西建筑ＳＨＡＮＸＩ㊀ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４６Ｎｏ.１６Ａｕｇ.㊀２０２０㊀㊀㊀面变截面钢梁的分段根据钢梁两端的支撑条件和钢梁的受荷弯矩图及工程经验确定ꎮ单跨内分三段ꎬ长度比例为１ʒ２ʒ１ꎬ以此比例为变截面屋面钢梁分段最为经济合理ꎮ本工程为单屋脊双坡三跨钢架ꎬ两边跨的分段为５.５ｍꎬ１１ｍ和５.５ｍꎬ中间跨分段为５.５ｍꎬ１０ｍ和５.５ｍꎬ见图１~图３ꎬ表１ꎮ图1刚架及屋面支撑平面布置图GJ1TGJTGJGJ2GJ2GJ2GJ2GJ2GJ1SC1X G 2X G 2X G 2X G 1X G 1X G 1X G 1X G 2SC1X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 1X G 1X G 1X G 1X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 2X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 1X G 15%5%3500350080007000700070007000700070007000800065000⑩①②③④⑤⑥⑦⑧⑨80007800780078007800780047000GFE DCBA图2①轴、⑩轴竖向支撑布置图Z C1Z C 1Z C1Z C 18900200-0.3008.60047000800078007800780078007800ABCDEFG图3④轴、⑦轴竖向支撑布置图Z C 1Z C16100200-0.3009.77547000800078007800780078007800ABCDEFG5.8003003975Z C2Z C 2 168×5.0Z C 1Z C1Z C2Z C 2 168×5.0表１㊀构件明细表编号名称截面备注ＸＧ１系杆ϕ１５９ˑ５.０Ｑ２３５ＢＸＧ２系杆ϕ１６８ˑ５.０Ｑ２３５ＢＳＣ１水平支撑ϕ２５Ｑ２３５ＢＺＣ１竖向支撑２Ｌ１１０ˑ８Ｑ２３５ＢＺＣ２竖向支撑２Ｌ９０ˑ６Ｑ２３５Ｂ３㊀ＰＫＰＭ￣ＳＴＳ系列二维模块建模计算建模过程中几个容易出错参数的选取ꎮ根据ＧＢ５１０２２ ２０１５门式刚架轻型房屋钢结构技术规范７.１.６条及条文说明规定ꎬ实腹式刚架斜梁的平面外计算长度应取侧向支撑点间的距离ꎬ且不小于２倍的隅撑间距ꎮ本工程计算长度取最不利情况为屋面系杆间距８ｍꎮ屋面采用双板加棉ꎬ恒荷载取０.３ｋＮ/ｍ２ꎬ活荷载取０.５ｋＮ/ｍ２ꎬ雪荷载取０.６ｋＮ/ｍ２(按１００年重现期)ꎮ荷载组合时屋面活荷载与雪荷载不同时考虑ꎮ根据«门规»[２]和«荷规»[３]ꎬ雪荷载应考虑不均匀分布ꎬ有女儿墙的还应考虑积雪效应系数ꎮ本工程积雪效应系数Ｕｒｍ[３]＝１.５ｈ/ｓ０＝１.５ˑ２.４/０.６＝６>２ꎬ取２ꎬ有女儿墙的积雪范围ａ＝２ｈ＝４.８ｍꎮ在ＰＫＰＭ中输入５组互斥荷载ꎬ分别为活荷载ꎬ雪荷载均匀分布ꎬ不均匀分布１ꎬ不均匀分布２和考虑积雪效应分布ꎮ第五种互斥荷载为考虑有女儿墙的积雪效应ꎬ取值为雪荷载均匀分布和分别距离两边柱４.８ｍ范围内的１倍的雪荷载的叠加ꎮ约束布置:中榀ꎬ边柱底部铰接ꎬ顶部刚接ꎬ两个中柱两端均刚接ꎮ山墙榀ꎬ抗风柱底部刚接ꎬ顶部铰接ꎬ其他柱端部连接形式同中榀ꎮ４㊀计算结果分析４.１㊀主钢架分别选用Ｑ２３５Ｂ钢材和Ｑ３４５Ｂ钢材计算结果对比分析主刚架经ＰＫＰＭ试算调整后最终计算结果如下:中榀主钢架计算结果:图4Q235B 材质钢结构应力比图（一）0.650.60（90）0.85（111）0.850.000.720.810.000.820.860.000.900.740.000.760.000.420.000.000.000.000.000.720.850.810.820.900.860.740.760.420.460.460.860.670.79（52）0.69（69）0.65（52）0.67（103）0.860.79（52）0.69（69）0.670.65（52）0.67（103）0.650.60（90）0.85（111）钢结构应力比图说明：柱左：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值右上：平面内稳定应力比（对应长细比）右下：平面外稳定应力比（对应长细比）梁上：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值左下：平面内稳定应力比右下：平面外稳定应力比图5Q345B 材质钢结构应力比图（一）0.560.52（97）0.94（111）0.820.000.850.720.000.620.800.000.940.660.000.710.000.400.000.000.000.000.000.850.820.720.620.940.800.660.710.400.400.400.780.72（57）0.61（69）0.500.50（57）0.56（103）钢结构应力比图说明：柱左：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值右上：平面内稳定应力比（对应长细比）右下：平面外稳定应力比（对应长细比）梁上：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值左下：平面内稳定应力比右下：平面外稳定应力比0.560.52（97）0.94（111）0.780.72（57）0.61（69）0.500.50（57）0.56（103）㊀㊀根据图４和图５可知ꎬ钢柱和钢梁的强度㊁平面内和平面外应力比均不超过０.９５ꎬ多数构件的应力比在０.８~０.９之间ꎮ计算时使各个构件应力比比较均匀且在０.８~０.９之间ꎬ用材会比较经济合理ꎮ由ＰＫＰＭ计算可知ꎬ中榀主刚架采用Ｑ２３５Ｂ和Ｑ３４５Ｂ钢材ꎬ质量分别为８.７３６ｔ和９.６５９ｔꎮ二者相差约１ｔ钢材ꎬ而两种钢材价格相差无几ꎬ所以采用Ｑ３４５Ｂ钢材比较经济ꎮ本工程采用Ｑ３４５Ｂ钢材ꎮ边榀山墙处主钢架计算结果:边榀山墙处主钢架ꎬＰＫＰＭ建模中ꎬ抗风柱设置为仅承９３ ㊀㊀㊀第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀沈玉光:轻型门式刚架结构设计担水平风荷载ꎬ不承担竖向荷载ꎮ根据图６ꎬ图７可知ꎬ大多数构件应力比在０.６~０.９之间ꎮ由ＰＫＰＭ计算可知ꎬ边榀山墙处主刚架采用Ｑ２３５Ｂ和Ｑ３４５Ｂ钢材ꎬ质量分别为１２.６７４ｔ和１３.０４３ｔꎮ二者相差约０.４ｔ钢材ꎬ而两种钢材价格相差无几ꎬ所以采用Ｑ３４５Ｂ钢材比较经济ꎮ本工程采用Ｑ３４５Ｂ钢材ꎮ图6Q235B 材质钢结构应力比图（二）0.570.830.470.600.320.890.680.300.350.350.300.680.890.320.600.470.830.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.790.410.520.290.860.610.290.370.370.290.610.860.290.520.410.790.51（56）0.39（52）0.000.00（42）0.00（31）0.000.00（46）0.00（34）0.680.61（53）0.52（69）0.000.00（53）0.00（40）0.000.00（53）0.00（40）0.000.00（46）0.00（34）0.000.00（42）0.00（31）0.680.61（53）0.52（69）0.130.16（96）0.12（66）0.000.00（52）0.00（39）0.000.00（52）0.00（39）0.000.00（52）0.00（39）0.000.00（52）0.00（39）0.000.00（52）0.00（39）0.000.00（52）0.00（39）0.130.16（96）0.12（66）0.610.59（53）0.54（89）0.610.59（53）0.54（89）0.700.000.800.000.000.410.870.740.710.680.000.660.820.000.400.700.670.000.000.740.710.410.000.870.700.800.000.570.51（56）0.39（52）图7Q345B 材质钢结构应力比图（二）0.390.000.700.710.350.000.000.000.000.000.000.000.000.330.330.270.000.000.000.000.000.000.000.710.700.370.350.440.470.280.280.720.720.560.530.240.280.280.240.560.530.270.720.720.280.280.440.470.370.35（8）0.54（124）0.490.040.04（42）0.04（71）0.050.04（46）0.04（73）0.540.48（11）0.43（66）0.060.06（53）0.06（79）0.060.06（53）0.06（79）0.540.48（11）0.44（66）0.050.04（46）0.04（73）0.040.04（42）0.04（71）0.390.35（8）0.54（124）0.000.690.290.000.800.490.000.620.480.000.570.280.000.770.490.000.580.490.000.620.290.000.800.490.000.690.100.11（19）0.17（114）0.000.00（52）0.00（71）0.000.00（52）0.00（73）0.480.45（15）0.45（85）0.000.00（52）0.00（79）0.000.00（52）0.00（79）0.000.00（52）0.00（73）0.480.45（15）0.45（85）0.000.00（52）0.00（71）0.100.11（19）0.17（114）㊀㊀为兼顾安全富裕度和用材经济ꎬ根据工程经验ꎬ门式刚架钢构件应力比控制不应超过０.９ꎬ允许极少数构件的应力比在０.９~０.９５之间ꎮ所有构件应力比应不超过０.９５ꎮ４.２㊀檩条及墙梁设计分析本工程采用ＳＴＳ工具箱进行檩条计算ꎬ屋面檩条选用斜卷边Ｚ型檩条ꎮ当屋面檩条采用简支檩条时ꎬ端跨和中跨檩条分别为ＸＺ２５０ˑ７５ˑ２０ˑ２.５ꎬＸＺ２５０ˑ７５ˑ２０ˑ２.２ꎻ当屋面檩条采用连续檩条时ꎬ端跨和中跨檩条分别为ＸＺ２２０ˑ７５ˑ２０ˑ２.５ꎬＸＺ２２０ˑ７５ˑ２０ˑ２.２ꎮ通过对比发现此等规模的房屋采用连续檩条比简支檩条能降低一个规格ꎬ节省钢材ꎮ所以本工程屋面檩条采用连续檩条ꎬ檩条的搭接长度不宜小于１０％檩条跨度ꎬ对于边跨搭接长度不宜小于１５％檩条跨度ꎮ本工程墙梁选用Ｃ型简支墙梁ꎬ在门窗洞口处的墙梁及门窗柱采用口对口双拼Ｃ型墙梁ꎮ５㊀结语本文以实际工程为例ꎬ详细阐述了门式刚架轻型房屋结构设计的一般过程ꎬ通过门式刚架结构设计得出以下几点结论ꎮ１)门式刚架轻型房屋属于对雪荷载敏感的结构ꎬ设计时基本雪压应取１００年重现期的雪压ꎮ对于有女儿墙的门式刚架ꎬ应考虑积雪效应系数ꎬ屋面雪荷载应取４种工况ꎬ全跨积雪的均匀分布㊁不均匀分布㊁半跨积雪的均匀分布和积雪效应分布ꎮ２)门式刚架柱脚宜按铰接柱脚设计ꎬ当用于工业厂房且有５ｔ以上的桥式吊车时ꎬ可将柱脚设计成刚接ꎮ３)当屋面跨度较大时ꎬ采用实腹式变截面梁比较经济ꎬ单跨内屋面变截面梁变截面的分段长度比例宜为１ʒ２ʒ１ꎮ钢柱顶部与钢梁刚接ꎬ弯矩图反弯点的位置大约在梁１/４和３/４长度处ꎮ４)门式钢架结构ꎬ在满足柱顶位移和钢梁变形的规范要求下ꎬ根据规范要求和工程经验ꎬ通过控制应力比来确定钢构件截面尺寸ꎬ宜使尽量多的钢柱和钢梁的应力比控制在０.８~０.９之间ꎬ允许极个别钢梁应力比超０.９ꎬ禁止任何构件应力比超过０.９５ꎮ这样能在保证结构安全的前提下ꎬ做到用材经济ꎮ５)Ｑ２３５Ｂ和Ｑ３４５Ｂ钢材的价格相差不大ꎬ跨度大的门刚结构主刚架采用Ｑ３４５Ｂ钢能够比较节省钢材ꎮ屋面檩条采用Ｑ３４５Ｂ材质连续檩条比较经济合理ꎮ参考文献:[１]㊀陈绍蕃.房屋建筑钢结构设计[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社ꎬ２００７.[２]㊀ＧＢ５１０２２ ２０１５ꎬ门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[Ｓ].[３]㊀ＧＢ５０００９ ２０１２ꎬ建筑结构荷载规范[Ｓ].ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅＳｈｅｎＹｕｇｕａｎｇ(ＣｈｉｎａＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＷｕｈａｎＤｅｓｉｇｎ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＷｕｈａｎ４３００００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｌｉｇｈｔｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆｔｈｒｅｅ￣ｓｐａｎｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｉｎａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗｏｒｋｓｈｏｐｏｆａｎｉｎｄｕｓｔｒｉ￣ａｌｂｕｉｌｄｉｎｇａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ＢｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｓｔｅｅｌｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍａｉｎｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｗｉｔｈＱ２３５ＢｓｔｅｅｌａｎｄＱ３４５ＢｓｔｅｅｌｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆｓｉｍｐｌｙｓｕｐｐｏｒｔｅｄｐｕｒｌｉｎａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｕｒｌｉｎｕｓｅｄｉｎｔｈｅｒｏｏｆꎬｉｔｃａｎｂｅｋｎｏｗｎｔｈａｔｕｓｉｎｇＱ３４５Ｂｓｔｅｅｌａｎｄｒｏｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｕｒｌｉｎｉｓａｍｏｒｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｃｈｅｍｅ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅ￣ｓｉｇｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｏｒｔａｌｆｒａｍｅꎬｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｌｅｎｇｔｈｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎬｃｏｌｕｍｎｂａｓｅｊｏｉｎｔꎬｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏꎬｐｕｒｌｉｎ０４ 第４６卷第１６期２０２０年８月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀山西建筑㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。

1 设计资料本工程为武汉市一金工车间厂房，采用单跨双坡门式刚架，刚架跨度24m，柱高9.9m；共有15榀刚架，柱距6m，屋面坡度1:10；地震设防列度为6度，屋面及墙面板均为彩色压型钢板,内填充以保温玻璃棉板，檩条和墙梁均采用冷弯薄壁卷边C型钢，间距为1.5m，钢材采用Q235钢，焊条采用E43型。

2 结构体系选用横向单跨双坡门式刚架承重体系3 结构布置3.1 柱网布置3.2 横向刚架主要尺寸横梁：Q235截面：H型钢h b t t⨯⨯⨯600x300x8x14w t柱：Q235截面：H型钢h b t t⨯⨯⨯500x300x10x16w t3.3 墙梁及柱间支撑3.4 屋面支撑3.5 荷载计算永久荷载：恒载：屋面板及保温层：0.12KN/m2檩条及支撑：0.08KN/m2刚架：0.3 KN/m2可变荷载：屋面活载：0.5 KN/m2雪荷载：0.5 KN/m2风荷载：0.35 KN/m2地震荷载：武汉地区钢结构厂房按6度设防，即钢结构厂房6度设防只需满足构造要求。

4 吊车设计资料：采用北起起重量Q=5t，跨度S=22.5m的单梁式吊车，P max,k=45KN，P max,k=10.47KN，B=3500mm，W=3000mm，H1=880mm，轨道型号：38kg/m。

4.1吊车荷载（竖向荷载设计值）m ax 1Q m ax ,k P P 1.051 1.44566.15K Nαβγ==⨯⨯⨯=4.2吊车梁内力计算4.2.1 M max 及相应V()()()()m ax 1m ax 0m ax220m ax 0m ax 1500222266.153500150037.8/444350066.150.75 3.7549.61666.1549.6116.54B p a p w w a m mp pP L a P B a M kN mL B R kNV kN====--⨯⨯-====⨯⨯+===-=∑∑4.2.2 求V max轮子在支座上时，剪力最大1m ax 123(1)66.1566.15(1)99.236a V P P kNl=+-=+⨯-=4.2.3 吊车水平荷载作用下的M maxH 及V maxH230011()2210.12(6.10.129.859.8) 1.4 2.364k i k k k QT T G G n n kNαγ⋅⋅⋅==+=⨯⨯⨯⨯+⨯⨯=∑max max max2.3637.8 1.3566.15k H T M M kN mP =⋅=⨯=⋅max max max2.3699.233.5466.15k H T V V kNP =⋅=⨯=4.3 截面选择钢材采用Q235的H 型组合钢4.3.1 经济高度63max31.237.810210.9821510x M w cmfα⨯⨯≥==⨯33373007210980300116w x h w mm =-=⨯-=4.3.2 最小高度6min 0.360.362156000101000464l h fl m mv -⎡⎤==⨯⨯⨯⨯=⎢⎥⎣⎦根据构造要求，h 取50mm 的整数倍，因此h=500mm4.3.3 腹板厚度抗剪要求：3m ax1.2 1.299.23101.91500125w vV t m mhf ⨯⨯===⨯局部稳定：5006.43.5 3.5w h t m m === 根据构造要求，腹板厚度t w ≥8mm 的整数倍，则t w =8mm4.3.4 翼缘尺寸01111(~)(~)50083.3~2006 2.56 2.5b h m m==⨯=取b 0=200mm 抗弯要求：0006x w w h t b t h=-30210.981020082005006t ⨯⨯=-, 则t 0=0.78mm局部稳定要求： 0020082357.382623526235y wf b t t m m--≥==而t 0值一般取2mm 的整数倍且大于t w ，则t 0=10mm4.4 截面特性2200102500880A cm =⨯⨯+⨯=33411200520(2008)50034346.671212x I cm=⨯⨯-⨯-⨯=3134346.671321.03226010x x I w cmh -===⨯315020 1.025.5500.876024x S cm=⨯⨯+⨯⨯⨯=334112 1.02500.81335.471212y I cm=⨯⨯⨯+⨯⨯=301335.47133.55210y y I w cmb ===33011.0201266.67210hoy hoy I w cmb ⨯⨯===4.5 强度验算4.5.1 正应力验算3322max max 37.8101.351048.86/215/1321.0366.67H xhoyM M N m m f N m mw w σ⨯⨯=+=+=<=4.5.2 切应力验算3322m ax 37.8107601010.46/125/34346.67xv x wM S N m m f N m mI t τ⨯⨯⨯===<=4.5.3 腹板局部压应力;5250250150c z y R w zFl a h h m mt l ψσ==++=+⨯=3221.066.151055.125/215/8150c N mm f N mm σ⨯⨯==<=⨯4.5.4 腹板边缘处的折算应力22213c c fσσσστβ+-+≤3137.81025.528.0634346.67nM y NI σ⨯==⨯=2222228.0655.12528.0655.1253106/21555.13/N mm f N mm=⨯+=⨯<+-4.6 稳定性验算4.1.6 整体稳定性验算yxb xy yMMfw w ϕγ+≤1335.47 4.08640.8680y y I i cm m mA====6000146.8415040.86y yl i λ===<(满足)0600080.48 2.0200500lt b hξ⨯===<⨯(满足)0.730.180.730.180.480.82b βξ=+=+⨯=又因为双轴对称工字形截面，则ηb =01222243202351()4.443208000500146.84102350.8210146.841321030 4.45002350.598 1.0y b b b y x y t A h W h f λϕβηλ⎡⎤⋅⋅=++⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎡⎤⨯⨯⎛⎫⎢⎥=⨯⨯++ ⎪⨯⎢⎥⎝⎭⎣⎦=<'0.2820.2821.07 1.070.598 1.00.598b b ϕϕ=-=-=<3322'37.8101.351056.27/215/0.5891321.031.2133.55yxbxy yMM N m m f N m m w w ϕγ⨯⨯+=+=<=⨯⨯4.6.2 局部稳定性验算翼缘：10969.61310b t ==<腹板：50062.5808wh t ==<（应按构造要求配置横向加劲肋）横向加劲肋截面确定横向加劲肋为Q235，尺寸为80mm×8mm加劲肋间距为 0.5h a 2h 250mm a 1000mm a=1000mm ≤≤⇒≤≤取4.7 刚度计算6225437.8106000111.05 1.4=1.31610102.061034346.67101000xkxM ll m m m m E I ν⨯⨯⎡⎤⨯==<=⎢⎥⨯⨯⨯⎣⎦4.8 支承加劲肋计算采用凸缘式支承加劲肋0200s b b m m==尺寸：按端面承压强度试选加劲肋厚度已知：2m ax 325/,99.23,200ce s f N m m V kN b m m ===支座反力为 需要3m ax 99.23101.53200325s s ceV t m mb f ⨯≥==⨯考虑到支座支承加劲肋是主要传力构件，为保证其使梁在支座处有较强的刚度，取加劲肋厚度与梁翼缘板厚度大致相同，令t s =10mm 。

干货！门式刚架结构设计实例工程概况（一）设计资料某客户需要建设66X75m的仓库，根据客户要求，宽度方向为66m，设3跨，跨度分别为24m、18m、24m，柱距取7.5m，檐口高度为6m。

屋面为0.5mm压型钢板+75mm 厚保温棉（容重14kg/m3）＋0.4mm内衬板，材质采用Q345。

（二）方案选取1．跨度：考虑到特殊的使用要求（中间18m兼做交通走道），客户指定了上述的跨度要求。

为使读者理解如何寻找最经济的结构方案，笔者又研究了21m＋24m＋21m或18m+30m+18m的跨度方案，三种方案的每榀框架的用钢量对比如下：24m+18m+24m，每榀框架用钢量 4.9吨；21m+24m+21m，每榀框架用钢量 4.2吨；18m+30m+18m.，每榀框架用钢量 4.6吨；通常来说，如可能尽量将框架设计成对称结构，各跨跨度基本相同，中间跨跨度度略大于边跨将是一种比较经济的方案。

本项目由于客户需要将中间跨(18m)设置为走道，故笔者没有建议他们改为较为经济的跨度方案（21m＋24m＋21m）。

2．柱距选择：鉴于本工程总长度为75m，故取柱距为7.5m，即10@7.5。

读者也可以比较7.75+*****+7.75的柱距方案。

后者也是一种比较经济的株距方案。

3．屋面梁拼接节点设置节点设置需要考虑下列因素：(1) 拼接点尽可能靠近反弯点，一般反弯点位置在1/4~1/6跨度处，按照此原则，对于24m跨，拼接点设在离柱24*(1/4~1/6)=4~6m处比较合适。

对于18m跨，则应该设在18*(1/4~1/6)=3~4.5m比较合适；(2) 单元长度不要超过可运输最大长度，一般不宜超过12.5 m；(3) 尽量减少拼接数量，因为拼接节点需要端板及高强螺栓，同样会增加项目造价；(4) 拼接节点应避开抗风柱及屋面系杆的连接位置，以避免出现连接上的不便；综合多种因素，我们将屋面梁做了分段，见图3-26。

A节点为边柱与梁拼接节点，D为中柱与梁拼接，通常此处屋面梁不断，这是考虑此处弯矩较大，对于屋脊节点 F，通常我们也不建议此处屋面梁断开，原因是此处通常会有抗风柱及屋面系杆，若设置屋面系杆，将引起连接上的不便。

门式刚架钢结构（大跨度索支承实腹式）实例分析为分析索支撑实腹式门式刚架的受力性能，在此就跨度、檐口高度、柱距、屋面坡度1：20的某粮食仓库采用索支撑门式刚架进行了计算。

考虑到撑竿在施加预应力过程中伸长量很大，计算时应考虑大变形。

本文采用几何非线性方法进行计算，以一榀刚架为单元，按平面结构处理。

施工过程中刚架的实际受荷过程分三个阶段：第一阶段刚架在现场拼装完成后，此时刚架只承受自重。

第二阶段刚架拼装后，安装钢拉索和撑竿，然后旋撑竿施加预应力，此时刚架同时承受自重和预应力。

第三阶段刚架在正常使用阶段承受全部使用荷载。

因此，刚架受力性能分析计算按照以上三个阶段进行。

刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下几种计算工况：（1）1. 2恒荷载+1.4活荷载（2）1.0恒荷载+1.4风荷载(向右)（3）1.2恒荷载+1.4风荷载（向右）（4）1.2恒荷载+1.40.85（活荷载+风荷载(向右)）通过仔细分析数据和不同阶段刚架内力变化图可以看出，施加了预应力后的梁柱节点弯矩由自重作用下的-503.67KNm增至217.03KNm，梁跨中弯矩由313.78KNm减至-365.96KNm。

此时刚架梁柱的内（应）力几乎与竖向荷载作用下的内（应）力反号，预应力对刚架起到了很好的卸载作用，而且刚架梁柱的应力均不大。

刚架承受外荷载作用时，虽然2、3两种荷载组合作用下由于风荷载对屋盖向上的吸力作用，刚架的内力在施加预应力后的内力基础上略有增加，但结果表明这两种工况引起的最终内力都不起控制作用。

在竖向荷载作用下，刚架梁柱节点和跨中内力分别由第二阶段的217.03KNm和-365.96KNm逐渐变到-1273.12KNm和116.05KNm。

施加预应力后刚架梁的跨中挠度由自重作用下的（向下）变为（向上），柱顶侧移由（向外）变为（向内）（表1）。

对截面进行进一步优化后，上述跨度的粮仓采用索支承预应力门式刚架用钢量（仅为刚架部分，未包括钢拉索和撑竿）为/m2，比原来用普通门式刚架节省用钢量约35％左右。

轻型门式刚架设计原理和设计实例4次结构第四章次结构及其连接构造檩条、墙檩和檐口檩条构成轻型钢结构建筑的次结构系统。

一方面，它们可以支承屋面板和墙面板，将外部荷载传递给主结构;另一方面，它们可以抵抗作用在结构上的部分纵向荷载，比如纵向的风荷载，地震作用等;此外，它们也作为主结构的受压翼缘支撑而成为结构纵向支撑体系的一部分。

檩条是构成屋面水平支撑系统的主要部分;墙檩则是墙面支撑系统中的重要构件;檐口檩条位于侧墙和屋面的接口处，对屋面和墙面都起到支撑的作用。

除柱距较大的结构需采用热轧工字钢外，轻型门式刚架的檩条，墙檩以及檐口檩条一般都采用带卷边的槽形和Z形(斜卷边或直卷边)截面的冷弯薄壁型钢，如图4-1所示。

图4-1 典型的冷弯薄壁型钢构件第一节冷弯薄壁型钢的一般特点冷弯薄壁型钢构件用相对较少的材料承受较大的外荷载，不是单纯用增大截面面积，而是通过改变截面形状的方法获得。

根据测算，同样截面积的冷弯薄壁型钢与热轧型钢相比，回转半径可增大80%，惯性矩和面积矩可增大50-180%。

所以，冷弯薄壁型钢抗压和抗弯性能好，整体刚度大。

由于冷弯薄壁型钢在室温下成型，材料将产生冷弯效应。

所谓冷弯效应，是指冷加工使材料达到塑性变形，材料结构发生变化，产生应变硬化和应变时效，使截面弯角部分材料强度提高，塑性降低。

影响材料冷弯效应的因素有钢材极限强度和屈服强度的比值;弯角半径和板厚的比值;冷加工的成型方式、次数、受力性质等。

考虑材料的冷弯效应，一般可以提高设计强度10-15%，但是一般只在构件全截面有效时才在计算中考虑设计强度的提高，否则可以将冷弯效应作为设计中的强度储备。

图4-2解释了冷弯效应构件强度提高的原因。

A曲线是钢材未冷加工的标准的应力-应变曲线;钢材冷加工超过材料屈服强度达到塑性段，之后沿B直线卸载，这是应变硬化的过程;加载的C曲线沿B直线，直线段高于A曲线的屈服平台，甚至由于应变时效的作用，C-D曲线的屈服平台还高于B直线的卸载点。