浅谈门式刚架轻型钢结构设计过程

张华

0 引言

相对于普通钢结构，轻型门式钢结构采用了轻型材料，自重较轻，一般情况下地震作用不控制设计，材质均匀，应力计算准确可靠，经济指标较好，主钢结构的造价相对较低，围护板采用压型钢板，通过一定方式固定在檩条或者墙梁这样的次结构上，两者的结合使压型钢板在其平面内具有很好的蒙皮抗剪强度，与次结构连接后具有较好的空间整体性和稳定能力;另外，在制作过程中工业化生产程度高，施工速度快，对环境的污染小，因此受到建设单位的普遍欢迎。在方案及施工图设计阶段，一般可分为如下几部分。

1 确定结构形式，选择经济的设计方案

CECS 102-2002中规定门式刚架轻型钢结构房屋的纵向温度区段不大于300 m，横向温度区段不大于150 m，当超过此规定时，应设置伸缩缝。当遇到超长、超宽的轻钢结构时，不仅应设置伸缩缝和相应的支撑加强房屋的整体刚度，还应注意考虑屋面排水要求(屋面坡度不应小于5%)，防止屋面板长度过长引起的渗漏问题以及房屋通风采光问题。

通常的经济用钢跨度和刚架间距，是仅从总用钢量最少的角度来讨论的。无桥式吊车和悬挂吊车时，刚架的经济跨度约为21 m～24 m，大于36 m就不经济了;当有桥式吊车时，其经济跨度大概在30 m～34 m之间。有桥式吊车时的经济跨度反而大于无桥式吊车时的经济跨度，主要是因为吊车梁的用钢量在主结构(刚架与吊车梁)中所占比重随刚架跨度增加而减少。门式刚架的间距通常采用6 m，7.5 m，9 m，12 m等，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.5～5为宜。无桥式吊车时，刚架间距以7.5 m～9 m为宜，有桥式吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架，刚架间距以6 m～7.5 m为宜。

2 根据体系特征进行支撑布置

门式刚架是一种平面受力结构形式，只能抵抗平面内的各种荷载作用。刚架平面外的荷载需要靠各种支撑体系去解决，这就需要合理的布置屋盖横向水平支撑和柱间支撑，支撑与刚架连在一起组成空间稳定的建筑体系结构，并解决刚架构件平面外刚度和稳定的问题。支撑的布置应注意以下几点：

1)横向水平支撑宜布置在每一个温度区段两端的第一开间内，若考虑将气楼、天窗的端部支撑布置在同一开间内，可将横向水平支撑移至第二个开间，但必须将所有支撑点对应的第一开间的纵向系杆设计成传力的刚性系杆;

2)屋盖横向水平支撑与柱间支撑宜设在同一开间，如因开门洞等原因，柱间支撑不能与屋盖横向水平支撑同处一开间，可移至相邻开间，在其偏移的开间处增设一较强的刚性系杆使屋盖水平力得以顺利通过柱间支撑传至基础;

3)若各区间的屋面不在同一高度，为保证每个高度的屋面区域形成独立的平面刚体，应针对每个高度的屋面区域分别设置横向水平支撑;

4)不同刚度的支撑不应处于同一纵向柱列中。支撑有几种常用的形式，首先，交叉式支撑这种形式最为经济合理;其次，为人字撑，但此时斜杆按压杆设计，需考虑稳定，因此用钢量增加;若设置支撑的开间大，可将压弯构件设计成桁架式;若无斜杆，则是完全的门式支撑，此时要靠梁—柱刚性连接构成受力体系，即依靠节点的抗剪切构成支撑的刚度，此时构件变形最大，刚度最低，用钢量最大，应避免使用。

当吊车吨位较大、横向位移要求较严、刚架平面内刚度突变、刚架柱间设有墙架柱或者近海、台风区、超高、超大跨度刚架、建筑平面不规则、刚架间距过大等情况时，要综合情况考虑设置屋盖横向及纵向水平支撑。

3 主要构件截面初估

支撑布置结束后，需对刚架截面作初步的估算，钢梁可以选择槽钢、轧制或焊接H型钢等截面。根据荷载与支座的情况，其截面高度通常为跨度的1/20～1/50;翼缘的宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估，通常50＜λ＜150，简单选择值在100附近。在钢柱的计算长度选择上，经常需考虑到外部其他结构对钢柱的平面外约束作用。比如说四周采用砖墙围护墙的结构，有的设计者考虑到圈梁里的拉结筋和钢柱外皮焊接固定，属可靠连接，故可以作为钢柱的平面外支点，但实际工程中却很难达到理想状态，原因有两点：1)即使混凝土圈梁对钢柱有约束作用，其作用点一般在钢柱的外皮，而钢柱主要是内侧受压，故效果不佳;2)因围护砖墙、混凝土和钢构件属于完全不同的材料，在荷载最不利情况下，砖墙、混凝土可能会较早开裂，使钢柱失去侧向约束，最终引起平面外失稳。因此，应尽量采用设置柱间系杆的方式来减少柱平面外计算长度。

4 结构分析及构件优化

目前通常的轻钢门式结构分析方法为线弹性分析法。众多的结构分析软件为精确的分析模型提供了便利条件。构件设计优化时应根据结果文件的输出做工程判定，首先考虑材料的选择。目前门钢中常用的是Q235和Q345(类似16Mn)材质，通常主结构采用同一材质便于工程管理，建模分析时，可根据起控制作用的因素选择，强度起控制作用时，采用Q345，稳定起控制作用时，采用Q235。当工程出于经济考虑时，也可选择不同强度钢材的组合截面。

构件细部优化时，可参照图形文件输出结果。如可以根据弯矩包络图确定变截面的分布;剪力图控制腹板高度;根据挠度和位移图可选择增加梁柱截面高度来限制变形等。当构件强度超限时，通常加大组成截面的板件厚度，其中抗弯强度不满足加大翼缘厚度，抗剪强度不满足加大腹板厚度;当变形超限时，出于经济，通常考虑加大截面高度而不是厚度;当腹板高厚比不满足时，根据规范增加构造措施达到要求。若整体结构的强度、稳定等多方面超限，则应根据工程实际情况选择修改模型重新分析。

5 主结构节点及围护构件设计

按照传力的特性不同，节点分为刚接、铰接和半刚接，因刚接与半刚接的界限不易区分，初学者可以选择能简单定量分析的刚接与铰接两种形式。在结构设计前，就应对节点形式做充分的思考和确定，保证结构中的节点连接的使用形式与结构分析时一致。另外，节点的设计还宜综合考虑制造工厂的工艺水平及现场安装定位方便等因素。

主体结构设计完成后，进入到支撑体系及围护构件的设计，一般简称为次构件设计。次构件一般为受力单一的简单构件，可借助软件工具，亦可通过手算进行分析。

6 图纸的编制

钢结构图纸的编制分为设计图和施工图两个阶段。设计图为设计单位编制;施工图通常由制造公司根据设计图编制。设计图是加工图编制的依据，在满足规范要求时还应尽量完整;对设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求(包括制造和安装、焊缝质量检验等级、涂装及运输等)也要表示清楚。

［1］ 陈友泉，魏潮文.门式钢架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：33，66.

［2］ 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南［M］.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［3］ 戴素娟，李海娟.门式刚架轻型钢结构中支撑优化设计探讨［J］.山西建筑，2010，36(15)：37-38.