门式刚架轻型房屋钢结构设计研究

王梦宇WANG Meng-yu

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 门式刚架概述

1.1 发展概况

20 世纪中叶，门式刚架轻型房屋钢结构体系起源于美国，最初应用于兵营、库房和工厂的建设中，随着新型建筑钢材的发展、设计水平的提高、设计形式的多样化，这种结构体系的建筑更加广泛地应用于大型工业厂房、娱乐体育设施等工业与民用建筑中。此外，门式刚架轻型房屋钢结构建筑，因为其结构稳定性较高、抗震性能好的特点，在地震频发的日本较为普及，据统计，日本新建的1～4 层建筑大多采用轻钢结构体系。由于我国多年来本着节约钢材的设计原则，门式刚架轻型房屋结构体系发展和应用较为缓慢，但随着我国经济迅速发展、钢材产量的增加、相关设计规范和图集的进一步完善，该结构体系在我国已取得了较为广泛的应用。

1.2 结构形式

门式刚架结构按跨度可分成单跨、双跨、多跨以及带挑檐和毗屋的类型；按房屋坡脊类型可分为单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡；按截面形式可分为等截面和变截面门式刚架。

图1 门式刚架结构形式示例

1.3 结构特点

受力简单，传力路径明确；围护结构多采用压型钢板、冷弯薄壁型钢等轻型材料，结构整体自重轻；结构构件的生产可实现自动化、标准化，施工周期短，安装和拆卸相对便利；结构构件横截面尺寸较小，柱网布置灵活，不仅提高了空间利用率，还大大减小了用钢量，经济效益明显；基础形式较为简单，土建工程量较小，是一种经济可靠的结构形式。

2 门式刚架轻型房屋钢结构设计流程及要点

门式刚架上部结构主要包括由刚架梁和刚架柱组成的主刚架；屋面支撑、隅撑、柱间支撑组成的支撑系统；摇摆柱、墙梁、檩条、拉条、刚性撑杆和吊车梁系统等。（图2）

图2 门式刚架结构组成示意图

下面以某停车列检库为例，详细论述门式刚架轻型房屋钢结构的结构设计流程。

2.1 主要技术条件

某停车列检库选用门式刚架结构体系。柱距9.0m，跨度24.0m，纵向长度108.0m，层高9.4m，室内外高差300mm。屋面做法选用双层压型钢板复核保温屋面，屋面坡度取1/10。

根据建筑物重要性，结构抗震设防类别为丙类；结构安全等级为二级，耐火等级为二级，主体结构设计使用年限为50 年。

基本雪压为0.25kN/m2（100 年重现期），基本风压0.40kN/m2（100 年重现期），地面粗糙类别：B 类。屋面恒载0.5kN/m2，屋面活载0.5kN/m2。

本工程建筑抗震设防烈度为8 度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.30g，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40s。

2.2 主刚架设计

主刚架由刚架梁和刚架柱组成，为门式刚架结构的主要承重构件。设计时应按弹性分析方法计算，不宜考虑应力蒙皮效应，可按平面结构分析内力。因此根据建筑形式，利用PKPM 软件建立单跨双坡门式刚架二维模型。

梁柱截面尺寸为变截面时，构件受力更合理，截面形状与内力图形较为吻合，腹板宽厚比较大，设计时运用其屈曲后刚度以节约材料。因此刚架柱选用450～750×350×16×18 变截面工字钢柱，刚架梁选用850～600×300×14×16变截面工字钢梁，均为Q355 级钢，主刚架立面图如图3所示。

图3 主刚架立面图

2.2.1 荷载布置

门式刚架结构设计中的荷载布置，主要包括恒载和活载暨永久荷载与可变荷载。其中恒载主要为屋面板、檩等构件的自重，活载则包括风荷载、雪荷载、竖向活载等。

本工程恒载标准值0.5kN/m2，雪荷载不与屋面活载同时考虑，活载按0.5kN/m2取值，施工检修荷载1.0kN，基本风压为0.40kN/m2，迎风面宽度为柱距9.0m，根据《建筑结构荷载规范》GB 50009 规定[1]，风荷载高度变化系数为1.0，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）表4.2.2-1 规定，风荷载系数以封闭式中间区取值[2]。

值得注意的是，本工程外围护结构为蒸压加气混凝土砌块，该部分重量虽不直接向主刚架传导竖向应力，但在水平地震作用下，由于与主刚架的可靠拉结，该部分质量产生的水平地震力将传递给建筑主体构件，因此在荷载布置时，需将一半高度的围护墙重量以附加荷载的形式布置在柱顶节点。

2.2.2 约束布置

门式刚架柱脚分为刚接柱脚和铰接柱脚，两种柱脚在构造、受力和与基础的连接方式上均有不同。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）5.1.4 条规定，“门式刚架柱脚宜按铰接支承设计。当用于工业厂房有5t以上桥式吊车时，可将柱脚设计为刚接。”当檐口标高较高、水平荷载较大、结构对侧移要求严格时，也应采用刚接柱脚。

本工程柱脚形式为铰接，为保证主体结构与基础的可靠连接，需要预埋锚栓。柱脚锚栓选用Q355，M30 柱脚锚栓且采用双螺母；锚栓最小锚固长度按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）表10.2.15 选取。

2.3 次结构设计

门式刚架次结构主要包括柱间支撑、屋面支撑、隅撑组成的支撑系统和摇摆柱、墙梁、檩条、拉条、刚性撑杆等。

门式刚架次结构系统作用主要体现在以下几个方面：

第一，连接不同平面形成空间刚度和稳定性较强的结构。第二，支承外围护和屋面板，将外部荷载传递给主体结构；第三，传递纵向风荷载和地震作用等纵向荷载。

2.3.1 支撑系统设置

门式刚架结构支撑系统由柱间支撑、屋面支撑和隅撑组成。支撑系统的布置需要满足必要的刚度、强度要求，能够明确、合理地传递纵向荷载，以实现结构体系平面外稳定[3]。结构稳定性依靠屋面支撑与柱间支撑所组成的整体。纵向水平荷载的传递路径，由屋面横向水平支撑传递到柱间支撑，最后传至基础。

屋面横向水平支撑设置在建筑物温度区段的两端开间内，当结构简单且各跨度高度一致时，在满足温度区段长度条件下，可仅在端开间设置。当存在高低跨变化时，为提高结构整体性，受力更加合理，需要设置纵向水平支撑。屋面水平支撑主要由交叉杆和刚性系杆组成，交叉杆按拉杆设计，刚性系杆按压杆设计，刚性系杆在屋脊和柱顶沿房屋纵向全长布置[4]。本工程屋面支撑交叉杆选用Φ25 圆钢，材质为Q355，为避免圆钢挠度过大，设置花篮螺栓。刚性系杆选用Φ159×5.0 圆钢，材质为Q355。

柱间支撑与屋面支撑宜设置在同一开间，组成一个支撑桁架以抵抗纵向荷载。无吊车时柱间支撑间距取30-45m，屋面支撑承受的荷载通过柱顶刚性系杆传递到柱间支撑上。当不允许设置交叉支撑时，可设置门架支撑[5]。本工程柱间支撑采用交叉支撑的形式，选用L90×8.0 的双边角钢，材质为Q355。

隅撑是连接檩条、墙梁和刚架受压翼缘的构件，设计时按轴心受压构件计算，一般在刚架斜梁全跨度内设置，以提高刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性[6]。本工程隅撑选用L50×6.0 单角钢，材质为Q355。

2.3.2 屋面系统设置

屋面系统主要由屋面檩条、拉条、斜拉条、刚性撑杆组成。

檩条设置在刚架斜梁上。为防止檩条局部扭转，增强其稳定性，利用檩托将其与刚架梁连接。檩条承受竖向均布荷载，是双向受弯构件，通常按单跨简支檩条设计。檩条根据截面形式可分为实腹式和格构式，实腹式檩条截面形式主要有热轧型钢、H 型钢和冷弯薄壁型钢。当屋面做法为压型钢板等轻型屋面时一般采用冷弯薄壁型钢截面，当屋面坡度≤1/3 时，选用C 型檩条；当屋面坡度＞1/3 时，选用Z 型檩条，与C 型檩条相比受力更加合理，但是安装较为复杂[7]。

屋面檩条布置时间距一般相同，并在屋脊两侧和天沟附近分别布置一道檩条，防止屋面板外伸过大并便于天沟固定，檩条跨度与柱距相同。

由于檩条在竖向均布荷载作用下产生弯曲和扭转，为将檩条沿屋面坡度方向的分力传递给梁、柱，需要布置拉条和刚性撑杆，提高檩条的侧向稳定性，其中拉条主要传递拉力，刚性撑杆主要承受压力。当檩条跨度大于4m 时，拉条布置在檩跨中位置，当檩条跨度大于6m 时，在檩条跨度三等分点处分别设置拉条；在屋脊和檐口处需要布置斜拉条和刚性撑杆。本工程选用280×80×25×3.0C 型檩条，材质为Q355。

拉条通常选用圆钢，直径不小于10mm 的；刚性撑杆可选用钢管、方管、角钢或者圆钢内设拉条的做法，长细比应小于200。本工程拉条和斜拉条均为直径12mm 的圆钢，刚性撑杆选用Φ32×3.0 圆钢内设拉条的做法，材质均为Q355。

2.4 基础设计

由于门式刚架轻型房屋钢结构自重不大，基底反力一般较小，所以基础选型通常选择独立基础[8]。但在实际工程中还要结合工程实际，如地质状况、使用需求等，合理选择基础形式。对于本工程来说，场地覆盖层主要为人工填土、第四系全新统的黄土状粉质黏土、圆砾以及新近系泥岩，存在一定深度的湿陷性黄土，属不良地质，因此选用桩基础形式。

2.5 经济技术指标

跨度、柱距、结构高度、钢材类型、有无吊车、屋面坡度是影响门式刚架结构用钢量的主要因素。本工程跨度24.0m，柱距9.0m，跨度与柱距的选取均较为经济，檐口高度9.4m，无吊车，屋面坡度1/10，选用Q355 钢。主刚架用钢量约为15kg/m2；次结构用钢量约为10kg/m2，其中墙梁和檩条约7kg/m2，支撑系统1.5kg/m2。此外节点做法用钢量占到钢结构全部数量的10%～15%左右。

3 结论

门式刚架轻型房屋钢结构，因其自身优点和良好的经济性，在建筑工程上应用较为普遍。相关设计规范和图集的进一步完善也为门式刚架的结构设计提供了科学指导，为其快速发展提供了技术支持。文章以某停车列检库为例，阐述了门式钢架的特点，详细论述了门式刚架轻型房屋钢结构的设计流程和设计要点，主要包括主刚架设计、荷载取值、约束布置、材料选取、支撑系统和屋面系统等门式刚架次结构的设置，为其他工程的设计提供参考。

门式刚架轻型房屋钢结构工业化程度高，一定程度上弥补了传统钢筋混凝土建筑材料和结构形式的局限性。同时对设计者也提出了更高的要求，要更加认真学习相关规范规程，深刻理解设计原理，不断优化技术方案，提高设计质量。