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门式刚架轻钢结构设计摘要：从门式刚架的概述，荷载类型，材料，结构设计方法，结构设计原则等几个方面介绍了门式刚架轻钢结构的设计思路和设计原则关键词：门式刚架的设计思路和设计原则1门式刚架结构概述门式刚架是典型的轻型钢结构，造型简洁美观，在房屋建筑中广泛应用于大面积厂房、仓库、体育馆和超市等各类公共建筑。
它具有成本低、工期短，施工方便、预工程化程度高等优点。
轻型门式刚架包括主结构（刚架、支撑体系、抗风柱等）、次结构（屋面和墙面檩条等）、辅助结构（挑檐、雨蓬、吊车梁等）、围护板材、柱脚和基础等。
2作用于门式刚架结构上的荷载类型：（1）恒载(g)：结构自重和设备重；（2）活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载(m)、积灰荷载(d)、雪荷载等；（3）风载(w)（4）温度(t)（5）吊车(c)（6）地震作用荷载(e)3材料3.1门式刚架结构钢材选用的原则是既使结构安全可靠地满足使用要求，又尽量节约结构钢材和降低造价一般而言，轻型钢结构设计中钢材的选择应考虑以下方面：3.1.1根据结构重要性，用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板，应采用q235钢和q345钢。
门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用q235b或q345a及以上等级的钢。
非焊接的檩条和墙梁等构件可采用q235a钢。
3.1.2根据荷载性质，直接承受动力荷载的结构一般采用q235b 及q345钢。
承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构可选用q235b 钢。
3.2螺栓3.2.1高强螺栓应采用符合现行国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓大六角螺母垫圈技术条件》中规定的10.9级螺栓（摩擦型高强螺栓）。
3.2.2普通螺栓采用4.8级粗制螺栓（c级），应符合现行国家标准《六角头c级》的规定。
3.3焊条3.3.1手工焊用的碳钢焊条或低合金钢焊条的性能应符合《碳钢焊条》及《低合金钢焊条》的规定。
3.3.2埋弧焊用的碳钢焊丝与焊剂或低合金钢焊丝与焊剂的性能应符合《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》及《低合金钢埋弧焊用焊剂》《熔化焊用钢丝》的规定。
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。
浅析门式刚架结构设计轻型门式刚架结构质量轻，安装速度快在工业厂房中广泛使用。
该文主要分析了门式刚架结构设计过程中的平面刚架、纵向支撑系统、围护结构、吊车梁等关键部位的设计要点，并探讨了结构设计初期方案确定的重要性。
简要分析了门式刚架的设计重点、经济效益等。
标签：门式刚架;钢结构;结构设计1引言随着我国近几年经济结构转型，大型仓储类厂房大量建设。
轻型门式刚架因其轻便、经济和安装迅速等优越性被广泛使用，我国也于2016年实施《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015。
因此如何经济合理的设计是轻钢结构设计的要点。
2门式刚架概述门式刚架主要由多榀平面刚架结构用纵向支撑系统联成空间整体空间如图1。
该结构形式受力明确，竖向荷载及横向水平荷载主要由平面刚架承担，纵向水平荷载由纵向支撑系统承受和传递。
外部围护结构由屋面和墙面组成，屋面一般由屋面檩条和轻质屋面板组成，墙面则由墙梁及墙面板组成。
除了以上主要构件的设计外还应根据建筑物的防火等级进行防火设计，选择相应的防火涂料及措施。
海边、化学品存储仓库等应根据防腐蚀要求进行防腐蚀设计。
3平面刚架设计平面刚架设计是门式刚架厂房设计的重点，由随屋面坡度的横梁和钢柱组成，根据厂房的使用要求可以确定钢架高度、跨度及钢梁坡度。
为节省刚架自重及节约造价，屋面横梁一般设计成变截面梁，能更有效的利用构件截面。
刚架设计应整体计算，根据竖向和水平荷载作用下的内力结果和规范的构造要求设计合理的梁柱截面，满足构件的强度及稳定性要求。
平面刚架主要承受的竖向荷载有结构及围护构件自重、通风气楼、屋架悬挂的设备、屋面活荷载、吊车竖向荷载、雪荷载和屋面风荷载组成。
横向水平荷载主要包括风荷载、吊车横向水平荷载、设备运行荷载及地震作用等。
结构设计时还应考虑连接节点的设计及构造。
由于厂房一般跨度大，考虑到钢构件的运输货车最大只能装载15m的构件，一般构件长度宜控制在15m以内。
钢梁的拼接节点宜设置在弯矩及剪力包络图较小处，同时最好避开屋面纵向支撑系统的连接节点处。
浅谈轻型门式刚架结构设计
摘要：轻型门架钢结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，近几年来发展极快，但是采用这种钢结构的历史并不很长，在使用这种钢结构时经常发生质量问题，除材料因素之外，多数是由设计和施工经验不足造成的。
本文总结了轻型门式刚架结构的特点，对结构设计中常见的问题进行探讨。
关键词：门式刚架结构设计轻型
一、轻型门式刚架结构的特点
门式刚架轻型房屋钢结构体系是由刚架、屋盖、围护体系、及相应的支撑所构成的结构体系。
门式刚架与其它形式的建筑结构相比，具有以下优势：
（一）构件形式经济合理，结构质量轻
质量轻主要是由于围护结构的材料采用的是金属板与薄壁型钢，因而门式刚架的负荷较小，刚架自重也随之减轻。
而基础结构是与上部结构密切相关的，刚架整体变轻了，对基础的要求就会降低，基础的尺寸可以做小。
（二）抗震性能好
门式刚架自重轻，地震反应较小，很适合在地震多发地区中推广使用。
（三）施工周期短
门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多
采用高强度螺栓连接，安装迅速。
（四）柱网布置比较灵活传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。
而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。
二、轻型门式刚架结构设计探讨
（一）屋面荷载取值
如某汽车企业的总装厂房长度为184m，跨度为2x24m，高度为12m，建筑面积8925㎡，屋面坡度1/20。
该厂房带有2台5t电动单梁吊车，轨顶标高7.30m。
厂房采用门式刚架结构，柱脚刚接，结构主材采用焊接h型钢，钢号为q345-b。
设计主要使用pkpm系列中的sts钢结构软件计算。
屋面恒荷载取0.30kn/㎡ (包括屋面金属绝热材料夹心板及檩条自重)，活荷载取0.50kn/㎡。
虽然《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(cecs 102:2002)规定构件的荷载面积大于60㎡的屋面活载可取0.30kn/㎡，但遇到大风或其它原因造成超载情况，就可能出现安全问题，故笔者认为活荷载取0.50kn/㎡较为稳妥。
（二）合理跨度的确定
不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度。
在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度
确定合理的跨度。
一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。
门式刚架体系也存在经济跨度，因此不宜盲目追求大跨度。
影响经济跨度的主要因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。
这是因为荷载大则柱截面大；门式刚架的经济跨度常规范围在18～30m，吊车吨位较大时经济跨度在24～30m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18～21m 的区间。
因此，采用合理跨度也可以节省钢材，降低总造价，经济效益亦很可观。
（三）内力和变形计算
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。
门式刚架钢梁的截面取值还应满足竖向挠度变形限值的要求。
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，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。
（四）结构形式门式刚架的结构形式按跨度可以分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡。
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中推荐使用单脊双坡门式刚架，而不推荐多脊多坡门式刚架。
这是因为在其他条件都相同的情况下，屋脊两侧各需要一根檩条，内天沟两侧也各需要一根檩条，从而多一个屋脊就需要多一根檩条，多一个内天沟也需要多一根檩条。
这样就会增加檩条的用钢量以及落水管等附加设施的材料用量，内天沟处也会因为堆雪等而加大荷载。
具体形式见下图。
此外，对于单脊双坡多跨屋架，当用于无桥式吊车的房屋时，如果刚架柱不是特别高且风荷载也不是特别大，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜两端铰接的摇摆柱方案。
（五）梁柱连接节点门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。
端板竖放适用于局部等截面柱。
当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点受力的有力作用。
如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。
端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。
（六）选择正确的钢材质量等级和焊缝质量等级
按照相关文件的要求，在钢结构的设计中，必须标明应该使用的钢材质量等级(还包括相应的焊接材料型号)，并提出对焊缝的质量要求。
通常来说，大部分钢结构均采用q235b及以上等级的碳素结构和q345b及以上等级的低合金高强度结构钢作为受力构件。
这两种钢材有较强的冲击韧性和较好的延性性能，能保证钢结构工程的稳定性。
在现代钢结构中，钢结构连接的最基本方法是焊接连接，焊缝质量的高低直接关系到整个钢结构工程的安全，所以在钢结构的施工中一定要重视焊接质量。
一般来说，在一些重要的焊接方位焊接处的焊接质量不能低于二级。
而剩下的位置，一般都可以使用角焊接。
因为角焊缝会产生严重的应力集中现象，很难进行内部探伤，这种焊接只能算是三级焊接，在某些关键部位的角焊缝，其外观缺陷可以让其达到二级焊接的要求。
（七）抗震设计
门式刚架的特点，是结构自重较轻而且是低矮型的，地震作用可能对结构起控制作用也可能不控制，不能一概而论。
要通过具体分析确定。
当地震控制时，才需要考虑适当减小。
关于连接的抗震设计，因为门式刚架采用端板连接，这是一种半刚性连接，设计合理的连接在弹性阶段可以视为刚性连接，但进入弹塑性阶段，由于连接的变形，将成为半刚性连接，它有较好的延性，此时不宜套用高钢规程中的抗震设计方法。
在进行抗震计算时要注意以下两点：
1.门式刚架的抗震分析，可采用单自由度计算模型，根据受载面积，将框架质量集中在柱顶。
当屋面坡度小于10°时，房屋高度可取檐
口高度；当屋面坡度大于10°时，房屋高度取檐口高度和屋脊高度的平均值。
山墙框架当房屋跨度较大应设置支撑。
建议当房屋宽度等于或大于60m时，山墙框架宜对称设置支撑。
2.结构计算时，设计地震作用宜分别作用于刚架的两端，门式刚架为单层房屋，高度相对较小而长度较大，计算时将地震作用施加在山墙(侧墙)两端更接近地震惯性力的实际位置，若将地震作用仅作用于一端，将过于保守，得出的梁轴力将非常保守。
另外，应对门式刚架、纵向支撑框架和山墙支撑框架(或框架)分别进行抗震分析。
三、结语
随着轻型钢结构在国内的不断发展，轻型钢结构将会大量应用于工艺更为复杂、功能更为齐全及较大跨度的建筑中去，设计人员只有熟悉并理解设计规程、规范，合理布置、结构设计准确、细部处理周到，在实践中不断总结经验，进行优化设计研究，在规范要求的前提下进行各设计参数的优化和优选，才能实现结构安全可靠和降低成本。
参考文献：
1. 饶芝英：《门式刚架轻型房屋钢结构设计的几点问题》，《建筑结构》，2000年第4期。
2. 韩方俊：《轻型钢结构设计轻量化的主要途径》，《工业建筑》，2000年第2期。
3. 李一凡等：《门式刚架轻型房屋的发展现状》，《钢结构》，2006
年第2期。
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。
