《轻型门式刚架设计》含设计方法与流程.docx

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《轻型门式刚架设计》含设计方法与流程

第1章轻型门式刚架结构

1．1概述

1．1．1单层门式刚架结构的组成

如图1—1所示，单层门式刚架结构是指以轻型焊接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式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（槽形、卷边槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、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。

在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱构件多采用焊接变截面的H形截面，单跨刚架的梁-柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用。

柱脚可与基础刚接或铰接。

围护结构采用压型钢板的居多，玻璃棉则由于其具有自重轻、保温隔热性能好及安装方便等特点，用作保温隔热材料最为普遍。

1．1．2单层门式刚架结构的特点

单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具：

有以下特点：

（1）质量轻

围护结构由于采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻，因而支承它们的门式刚架也很轻。

根据国内的工程实例统计，单层门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10～30kg／m2；在相同的跨度和荷载条件情况下自重约仅为钢筋混凝土结构的1／20～1／30。

由于单层门式刚架结构的质量轻，地基的处理费用相对较低，基础也可以做得比较小。

同时在相同地震烈度下门式刚架结构的地震反应小，一般情况下，地震作用参与的内力组合对刚架梁、柱杆件的设计不起控制作用。

但是风荷载对门式刚架结构构件的受力影响较大，风荷载产生的吸力可能会使屋面金属压型板、檩条的受力反向，当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能是刚架设计的控制荷载。

（2）工业化程度高，施工周期短

门式刚架结构的主要构件和配件均为工厂制作，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，现场施工人员的需要量也很少。

构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，是安装迅速的一个重要方面，但必须注意设计为刚性连接的节点，应具有足够的转动刚度。

（3）综合经济效益高

门式刚架结构由于材料价格的原因其造价虽然比钢筋混凝土结构等其他结构形式略高，但由于采用了计算机辅助设计，设计周期短；构件采用先进自动化设备制造；原材料的种类较少，易于筹措，便于运输；所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益高。

（4）柱网布置比较灵活

传统的结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6m，当采用12m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。

门式刚架结构除上述特点外，还有一些特点需要了解：

门式刚架体系的整体性可以依靠檩条、墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。

门式刚架的梁、柱多采用变截面杆，可以节省材料。

图1—2所示刚架，柱为楔形构件，梁则由多段楔形杆组成。

梁、柱腹板在设计时利用屈曲后强度，可使腹板宽厚比放大（腹板厚

度较薄）。

当然，由于变截面门式刚架达到极限承载力时，可能会在多个截面处形成塑性铰而使刚架瞬间形成机动体系，因此塑性设计不再适用。

使门式刚架结构轻型化的措施还有：

在多跨框架中把中柱

做成只承重力荷载的两端铰接柱，对平板式铰接柱脚考虑其实际存在的转动约束，利用屋面板的蒙皮效应和适当放宽柱顶侧移的限值等。

设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理。

风力可使轻型屋面的荷载反向，就是一例。

组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。

在门式刚架结构中，焊接构件中板的最小厚度为3．0mm；冷弯薄壁型钢构件中板的最小厚度为1．5,nm；压型钢板的最小厚度为0．4mm。

板件的宽厚比大，使得构件在外力撞击下容易发生局部变形。

同时，锈蚀对构件截面削弱带来的后果更为严重。

构件的抗弯刚度、抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。

因此，在运输和安装过程中要采取必要的措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。

同时，要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作（蒙皮效应）。

1．1．3门式刚架结构的应用情况

门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。

近十多年来特别是中国工程建设标准化协会编制的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECSl02：

98）（以下简称《规程》）颁布实行后，其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。

目前，国内大约每年有上：

千万平方米的轻钢建筑竣工。

国外也有大量钢结构制造商进入中国，加上国内几百家的轻钢结构专业公司和制造厂，市场竞争也日趋激烈。

1．2结构形式和结构布置

1．2．1门式刚架的结构形式

门式刚架又称山形门式刚架。

其结构形式按跨度可分为单跨（图1-30a、b）、双跨（图1-3e、f、g、i）和多跨（图1—3c、d），按屋面坡脊数可分为单脊单坡（图1—2a）、单脊双坡（图l-3b、c、d、g、h）、多脊多坡（图1-3e、f、i）。

对于多跨刚架，在相同跨度条件下，多脊多坡与单脊双坡的刚架用钢量大致相当，常作成一个屋脊的大双坡屋面。

这是因为金属压型板屋面为长坡面排水创造了条件。

而多脊多坡刚架的内天沟容易产生渗漏及堆雪现象。

不等高刚架（图1—3f）这一问题更为严重，在实际工程中应尽量避免这种刚架形式。

单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不很大时，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱（图1—3c、g），中间摇摆柱和梁的连接构造简单，而且制作和安装都省工。

这些柱不参与抵抗侧力，截面也比较小。

但是在设有桥式吊车的房屋时，中柱宜为两端刚接（图1—3d），以增加刚架的侧向刚度。

中柱用摇摆柱的方案体现“材料集中使

用”的原则。

边柱和梁形成刚架，承担全部抗侧力的任务（包括传递水平荷载和防止门架侧移失稳）。

由于边柱的高度相对比较小（亦即长细比比较小），材料能够比较充分地发挥作用。

根据跨度、高度及荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字形截面或轧制H形截面。

设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。

变截面构件通常改变腹板的高度，作成楔形；必要时也可改变腹板厚度。

结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，当必要时可改变翼缘厚度。

门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。

当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。

门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1／20-1／8，在雨水较多的地区取其中的较大值。

门式刚架可由多个梁、柱单元构件组成，柱一般为单独单元构件，斜梁可根据运输条件划分为若干个单元。

单元构件本身采用焊接，单元之间可通过端板用高强度螺栓连接。

门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂起重机和起重量不大于20t的轻、中级工作制单梁或双梁桥式吊车。

1．2．2结构布置

1．2．2．1刚架的建筑尺寸和布置

门式刚架的跨度取横向刚架柱间的距离，跨度宜为9—36m，宜以3m为模数，但也可不受模数限制。

当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。

门式刚架的高度应取地坪柱轴线与斜梁轴线交点的高度，宜取4．5～9m，必要时可适当放大。

门式刚架的高度应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空的要求确定。

柱的轴线可取柱下端（较小端）中心的竖向轴线，工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮。

斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。

门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7．5m、或9m。

挑檐长度可根据使用要求确定，宜为0.5—1.2m，其上翼缘坡度取与刚架斜梁坡度相同。

门式刚架轻型房屋的构件和围护结构，通常刚度不大，温度应力相对较小。

因此其温度分区与传统结构形式相比可以适当放宽，但应符合下列规定：

纵向温度区段<300m；

横向温度区段<150m；

当有计算依据时，温度区段可适当放大。

当房屋的平面尺寸超过上述规定时，需设置伸缩缝，伸缩缝可采用两种做法：

（a）设置双柱；（b）在搭接檩条的螺栓处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许涨缩。

对有吊车的厂房，当设置双柱形式的纵向伸缩缝时，伸缩缝两侧刚

架的横向定位轴线可加插入距（图1-4）。

在多跨刚架局部抽掉中柱或边柱处，可布置托架或托梁。

1．2．2．2檩条和墙梁的布置

屋面檩条一般应等间距布置。

但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一道檩条，使得屋面板的外伸宽度不要太长（一般小于<200mm），在天沟附近应布置一道檩条，以便于天沟的固定。

确定檩条间距时，应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定。

侧墙墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。

当采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距由墙板板型和规格确定，且不大于由计算确定的数值。

1．2．2．3支撑和刚性系杆的布置

支撑和刚性系杆的布置应符合下列规定：

（1）在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

（2）在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。

（3）端部支撑宜设在温度区段端部的第_或第二个开间。

柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30～45m；有吊车时不宜大于60m。

（4）当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。

（5）当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

（6）在刚架转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。

（7）由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。

（8）刚性系杆可由檩条兼任，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H形钢或其他截面形式的杆件。

门式刚架轻型房屋钢结构的支撑宜用十字交叉圆钢支撑，圆钢与相连构件的夹角宜接近45°，不超出30°—60°。

圆钢应采用特制的连接件与梁、柱腹板连接，校正定位后张紧固定。

张紧手段最好用花篮螺丝。

在设有起重量大于15t桥式吊车的跨间，柱间支撑应参照第2章2．1．1．3节的要求设置。

当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢支撑。

当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。

支撑虽然不是主要承重构件，在房屋结构中却是不可或缺的，柱间支撑和屋盖支撑的作用和形式在第2章的2．1．3节还有详尽的论述。

1．3刚架设计

1．3．1荷载及荷载组合

设计门式刚架结构所涉及的荷载，包括永久荷载和可变荷载，除现行《规程》（CECSl02：

2002）有专门规定者外，一律按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009—2002（以下简称《荷载规范》）采用。

1．3．1.1永久荷载

永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自身等。

1．3．1．2可变荷载

（1）屋面活荷载当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0．5kN／m2；对受荷水平投影面积超过60m2的刚架结构，计算时采用的竖向均布活荷载标准值可取0．3kN／m2。

设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载（人和小工具的重力），其标准值为1kN。

（2）屋面雪荷载和积灰荷载屋面雪荷载和积灰荷载的标准值应按《荷载规范》的规定采用，设计屋面板、檩条时并应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内和高低跨连接处等的荷载增大系数或不