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【摘要】门式刚架轻型钢结构房屋设计是一个较为复杂的体系，在设计中需要顾及很多方面的内容，需要按照各种原理进行，设计人员只有对门式刚架轻型钢结构的特点、分类，以及使用范围，才能更好的在设计中发挥出门式刚架轻型钢结构的优势。本文具体分析研究了门式刚架轻型钢结构设计。
【关键词】门式刚架轻型钢结构设计
中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：
刚架结构是梁柱单元构件的组合体，形式种类多样。根据不同的建筑，又有不同的使用范畴。一般而言，单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架，在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多。
单跨、双跨门式刚架的斜梁和柱常为刚接，而柱的底部多数为铰接。在工程需要的情况下，在多跨刚架中间柱与斜梁的连接部，可以考虑采用铰接。而多跨刚架，通常需要采用双坡或单坡屋盖，如果工程有需要，也可采用由多个双坡单跨相连的多跨刚架形式。
与屋架结构相比，门式刚架的整个构件的截面尺寸较小，这样就方便我们更好、更有效地利用建筑空间，不仅能够有效的降低房屋的高度，也可以有效的减小建筑体积，同时也对建筑造型起到美观作用。
一般的门式刚架用于跨度为9-36m、柱距为6m、柱高为4.5-9m，而且设有起重量较小的悬挂吊车的单层工业房屋，或者公共建筑。需要架设桥式吊车时，其起重量控制在20t以内，属于A1～A5中、轻级工作制吊车；而在设置悬挂吊车时，起重量控制在3t以内。
从类型上看，门式刚架的结构形式有很多种。按构件体系分，有实腹式与格构式；按横截面形式分，有等截面与变截面；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。一般来说，实腹式刚架的横截面是工字形，当然，也有少数是z形；而一般而言，格构式刚架的横截面是矩形或者三角形。
1、基础与柱脚节点
基础形式选择应根据建筑物所在地的工程地質情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑,对于轻钢结构而言, 由于柱网尺寸较大, 上部结构传至柱脚的内力较小, 一般以独立基础为主。若地质条件较差, 可考虑采用条形基础, 遇到不良地质情况, 可考虑采用桩基础。一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。
对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外, 由于存在较大的水平力, 对于固接柱脚, 还存在较大的弯矩作用, 从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外, 在风荷载较大的情况下, 特别对于一些敞开和半敞开的结构, 轻钢结构自重很轻, 有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力, 导致基础上拔破坏。
为了防止这些破坏的发生, 最经济有效的办法是增加基础埋深, 对于轻钢结构基础, 还须预埋锚栓(也称地脚螺栓) , 用于上部结构和基础的连接, 若锚栓离混凝土基础边缘太近, 会产生基础劈裂破坏,因此, 锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm, 若锚栓长度过短, 会使锚栓从基础中拔出, 导致基础破坏, 所以规范也规定了锚栓埋入长度。
柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中, 绝对刚接或绝对铰接都是不可能的, 确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。刚接和铰接柱脚关键在于锚栓布置, 铰接柱脚一般采用两个锚栓, 刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的区别在于对侧移的控制, 如果结构对侧移控制较严, 则采用刚接柱脚, 例如有吊车荷载的情况, 应将柱脚设计成刚接柱脚, 其余情况下, 柱脚应设计成铰接。一般情况下, 柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的, 若不满足要求, 则须设置抗剪键。
2、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。
3、支撑和刚性系杆的设置
支撑体系在门式刚架轻钢结构具有十分重要的作用, 主要体现在以下几个方面：将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构；为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点,减少平面外的计算长度；明确合理、简捷的传递风力, 温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。
轻型门式刚架结构的标准支撑系统有斜交叉支撑、门架支撑、和柱脚绕弱轴抗弯固结的刚架柱支撑。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种, 一般情况下采用柔性支撑, 有吊车的情况下采用刚性支撑。由于建筑功能和外观的要求, 在某些开间内不能设置交叉支撑, 这时可以设置门架支撑。柱底脚与基础固接绕弱轴抗弯柱支撑大多用于遮蔽建筑物结构, 如汽车停车场结构等。
连接中间各榀刚架的屋面系杆, 一般在檐口、跨中设置三道, 但考虑到檩条和屋面钢板组成的外蒙皮所具有的蒙皮效应, 这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代。
4、檩条和墙梁的设置
轻型门式刚架的檩条构件可以采用C 形冷弯卷边槽钢和带斜卷边或直卷边的冷弯薄壁型钢。Z形檩条受力性能稍好, 但制作和安装麻烦, 适用于屋面坡度较大的情况。确定最优的檩条跨度和间距是一个复杂的问题, 一般情况下, 对于跨度超过20m的框架, 7. 5m 的框架间距是最优的; 对于跨度小于20m 的框架, 4. 5m 的框架间距是最优的。目前, 檩条设计常采用简支梁设计, 材料利用率偏低, 现在一般推荐采用连续檩条以获得较为经济的设计。在外荷载作用下, 檩条同时产生弯曲和扭转的共同作用,拉条和支撑是保证冷弯薄壁型钢檩条稳定性的重要保障, 一般的做法是采用拉条和撑杆从檐口一端起,连接每一根檩条直到另一端。根据檩条跨度的不同, 可以在檩条中央设一道或者在檩条中央及四分点处各设一道共三道拉条。一般情况下, 檩条上翼缘受压, 所以拉条设置在檩条上翼缘1 /3高的腹板范围内。
5、防腐与防火设计
钢材耐腐蚀性和耐修蚀性差, 钢结构的腐蚀不仅造成了经济损失, 也给结构的安全带来了隐患, 由于钢腐蚀而导致的事故屡见不鲜。钢结构的防腐包括两个步骤: (1) 钢材表面的处理。钢材表面污物会严重影响涂料在钢材表面的附着力, 并使漆膜下的锈蚀继续扩展, 导致涂层失效或破坏, 因此, 钢材表面处理质量的好坏对涂层的防护效果及寿命的影响, 甚至比涂料本身品种性能差异的影响更大, 据统计, 钢材的表面处理占防腐涂装各因素对涂层质量影响的一半左右；(2)在钢结构表面刷防腐涂料。防腐涂料是一种含油或不含油的胶体溶液, 将它涂敷在钢材表面, 可结成一层薄膜来保护钢结构, 防腐涂料一般由底漆和面漆组成, 底漆的功能是使漆膜与基层、面漆结合牢固, 面漆的主要功能是保护下层底漆。
钢结构耐火性能差, 其耐火极限仅为15-20m in, 根据5建筑设计防火规范6, 建筑构件在耐火等级为二级时的耐火极限, 对于支撑多层的柱为2.5h, 梁为1. 5h, 楼板为1. 0h, 因此, 必须对钢结构构件表面采取防火措施, 常见防火措施为: 将耐火轻质板作为防火外包层; 在构件外围浇筑混凝土或砌筑耐火砖; 涂抹防火涂料。一般民用建筑及大型公共建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火。防火涂料可分为超薄型、薄型、厚型三种, 板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料, 柱采用厚型防火涂料。但现阶段防火涂料价格较贵, 因此在普通钢结构中往往采用在梁柱表面浇筑细石混凝土的办法, 这时柱表面混凝土厚度为50mm, 梁表面混凝土厚度为25mm,且须在混凝土内设置与钢构件相连接的钢丝网, 这样可以有效降低造价。
参考文献：
[1] 贾宏玉,岳鹏飞.基于Elman神经网络的门式刚架结构损伤识别[J]. 钢结构. 2011(09)
[2] 王伟军,孙连宏,王一戈.轻钢结构在大柱网工业厂房中的应用[J]. 工业建筑. 2010(04)
[3] 刘洋.轻型门式刚架钢结构厂房分析及轻量化设计[J]. 建材世界. 2012(04)
作者信息
张峰：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
王文可：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
张运龙：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
【关键词】门式刚架轻型钢结构设计
中图分类号： TU391 文献标识码： A 文章编号：
刚架结构是梁柱单元构件的组合体，形式种类多样。根据不同的建筑，又有不同的使用范畴。一般而言，单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架，在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多。
单跨、双跨门式刚架的斜梁和柱常为刚接，而柱的底部多数为铰接。在工程需要的情况下，在多跨刚架中间柱与斜梁的连接部，可以考虑采用铰接。而多跨刚架，通常需要采用双坡或单坡屋盖，如果工程有需要，也可采用由多个双坡单跨相连的多跨刚架形式。
与屋架结构相比，门式刚架的整个构件的截面尺寸较小，这样就方便我们更好、更有效地利用建筑空间，不仅能够有效的降低房屋的高度，也可以有效的减小建筑体积，同时也对建筑造型起到美观作用。
一般的门式刚架用于跨度为9-36m、柱距为6m、柱高为4.5-9m，而且设有起重量较小的悬挂吊车的单层工业房屋，或者公共建筑。需要架设桥式吊车时，其起重量控制在20t以内，属于A1～A5中、轻级工作制吊车；而在设置悬挂吊车时，起重量控制在3t以内。
从类型上看，门式刚架的结构形式有很多种。按构件体系分，有实腹式与格构式；按横截面形式分，有等截面与变截面；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。一般来说，实腹式刚架的横截面是工字形，当然，也有少数是z形；而一般而言，格构式刚架的横截面是矩形或者三角形。
1、基础与柱脚节点
基础形式选择应根据建筑物所在地的工程地質情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑,对于轻钢结构而言, 由于柱网尺寸较大, 上部结构传至柱脚的内力较小, 一般以独立基础为主。若地质条件较差, 可考虑采用条形基础, 遇到不良地质情况, 可考虑采用桩基础。一般情况下不采用片筏基础和箱形基础。
对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外, 由于存在较大的水平力, 对于固接柱脚, 还存在较大的弯矩作用, 从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外, 在风荷载较大的情况下, 特别对于一些敞开和半敞开的结构, 轻钢结构自重很轻, 有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力, 导致基础上拔破坏。
为了防止这些破坏的发生, 最经济有效的办法是增加基础埋深, 对于轻钢结构基础, 还须预埋锚栓(也称地脚螺栓) , 用于上部结构和基础的连接, 若锚栓离混凝土基础边缘太近, 会产生基础劈裂破坏,因此, 锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm, 若锚栓长度过短, 会使锚栓从基础中拔出, 导致基础破坏, 所以规范也规定了锚栓埋入长度。
柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中, 绝对刚接或绝对铰接都是不可能的, 确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。刚接和铰接柱脚关键在于锚栓布置, 铰接柱脚一般采用两个锚栓, 刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的区别在于对侧移的控制, 如果结构对侧移控制较严, 则采用刚接柱脚, 例如有吊车荷载的情况, 应将柱脚设计成刚接柱脚, 其余情况下, 柱脚应设计成铰接。一般情况下, 柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的, 若不满足要求, 则须设置抗剪键。
2、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。
3、支撑和刚性系杆的设置
支撑体系在门式刚架轻钢结构具有十分重要的作用, 主要体现在以下几个方面：将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构；为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点,减少平面外的计算长度；明确合理、简捷的传递风力, 温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。
轻型门式刚架结构的标准支撑系统有斜交叉支撑、门架支撑、和柱脚绕弱轴抗弯固结的刚架柱支撑。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种, 一般情况下采用柔性支撑, 有吊车的情况下采用刚性支撑。由于建筑功能和外观的要求, 在某些开间内不能设置交叉支撑, 这时可以设置门架支撑。柱底脚与基础固接绕弱轴抗弯柱支撑大多用于遮蔽建筑物结构, 如汽车停车场结构等。
连接中间各榀刚架的屋面系杆, 一般在檐口、跨中设置三道, 但考虑到檩条和屋面钢板组成的外蒙皮所具有的蒙皮效应, 这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代。
4、檩条和墙梁的设置
轻型门式刚架的檩条构件可以采用C 形冷弯卷边槽钢和带斜卷边或直卷边的冷弯薄壁型钢。Z形檩条受力性能稍好, 但制作和安装麻烦, 适用于屋面坡度较大的情况。确定最优的檩条跨度和间距是一个复杂的问题, 一般情况下, 对于跨度超过20m的框架, 7. 5m 的框架间距是最优的; 对于跨度小于20m 的框架, 4. 5m 的框架间距是最优的。目前, 檩条设计常采用简支梁设计, 材料利用率偏低, 现在一般推荐采用连续檩条以获得较为经济的设计。在外荷载作用下, 檩条同时产生弯曲和扭转的共同作用,拉条和支撑是保证冷弯薄壁型钢檩条稳定性的重要保障, 一般的做法是采用拉条和撑杆从檐口一端起,连接每一根檩条直到另一端。根据檩条跨度的不同, 可以在檩条中央设一道或者在檩条中央及四分点处各设一道共三道拉条。一般情况下, 檩条上翼缘受压, 所以拉条设置在檩条上翼缘1 /3高的腹板范围内。
5、防腐与防火设计
钢材耐腐蚀性和耐修蚀性差, 钢结构的腐蚀不仅造成了经济损失, 也给结构的安全带来了隐患, 由于钢腐蚀而导致的事故屡见不鲜。钢结构的防腐包括两个步骤: (1) 钢材表面的处理。钢材表面污物会严重影响涂料在钢材表面的附着力, 并使漆膜下的锈蚀继续扩展, 导致涂层失效或破坏, 因此, 钢材表面处理质量的好坏对涂层的防护效果及寿命的影响, 甚至比涂料本身品种性能差异的影响更大, 据统计, 钢材的表面处理占防腐涂装各因素对涂层质量影响的一半左右；(2)在钢结构表面刷防腐涂料。防腐涂料是一种含油或不含油的胶体溶液, 将它涂敷在钢材表面, 可结成一层薄膜来保护钢结构, 防腐涂料一般由底漆和面漆组成, 底漆的功能是使漆膜与基层、面漆结合牢固, 面漆的主要功能是保护下层底漆。
钢结构耐火性能差, 其耐火极限仅为15-20m in, 根据5建筑设计防火规范6, 建筑构件在耐火等级为二级时的耐火极限, 对于支撑多层的柱为2.5h, 梁为1. 5h, 楼板为1. 0h, 因此, 必须对钢结构构件表面采取防火措施, 常见防火措施为: 将耐火轻质板作为防火外包层; 在构件外围浇筑混凝土或砌筑耐火砖; 涂抹防火涂料。一般民用建筑及大型公共建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火。防火涂料可分为超薄型、薄型、厚型三种, 板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料, 柱采用厚型防火涂料。但现阶段防火涂料价格较贵, 因此在普通钢结构中往往采用在梁柱表面浇筑细石混凝土的办法, 这时柱表面混凝土厚度为50mm, 梁表面混凝土厚度为25mm,且须在混凝土内设置与钢构件相连接的钢丝网, 这样可以有效降低造价。
参考文献：
[1] 贾宏玉,岳鹏飞.基于Elman神经网络的门式刚架结构损伤识别[J]. 钢结构. 2011(09)
[2] 王伟军,孙连宏,王一戈.轻钢结构在大柱网工业厂房中的应用[J]. 工业建筑. 2010(04)
[3] 刘洋.轻型门式刚架钢结构厂房分析及轻量化设计[J]. 建材世界. 2012(04)
作者信息
张峰：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
王文可：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
张运龙：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师