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钢架结构计算书

摘要

随着我国国民经济的发展，钢结构越来越多的得到应用，尤其是在工业建筑和大型公共场馆建筑中，如体育场馆、展览场馆。

门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。

它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱,以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱,以彩钢板作为屋面板及墙板,现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构,再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系,即门式刚架轻型结构体系。

这种结构体系可以在工厂批量生产,在现场按要求拼装形成。

能有效地利用材料,构件尺寸小,自重轻,抗震性能好,施工安装方便,建设周期短,能够形成大空间、大跨度,具有外表美观,适应性强,造价低,易维护等特点。

本文结合工程实际，说明了在门式刚架轻型房屋钢结构厂房设计中，横向结构和纵向结构设计过程中应注意的问题，包括平面布置、结构选型、结构方案、作用在柱系统上所受的荷载，以及计算横向结构和纵向结构分别采用不同的荷载组合等，同时也说明了横向结构和纵向结构的计算要点以及纵向结构详细的计算过程；对本工程中构件设计细部要点进行了总结，对今后工程设计具有一定的参考意义。

关键词：

门式刚架荷载组合钢结构

绪论

门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。

它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱,以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱,以彩钢板作为屋面板及墙板,现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构,再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系,即门式刚架轻型结构体系。

这种结构体系可以在工厂批量生产,在现场按要求拼装形成。

能有效地利用材料,构件尺寸小,自重轻,抗震性能好,施工安装方便,建设周期短,能够形成大空间、大跨度,具有外表美观,适应性强,造价低,易维护等特点。

刚架结构是梁、柱单元构件的组合体。

其形式种类多样，在单层工业与民用房屋的钢结构中，应用较多的为单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架；按构件体系分，有实腹式与格构式；按截面形式分，可分为等截面和变截面；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成的。

实腹式刚架截面一般为工字型；格构式刚架的截面一般为矩形或三角形。

门式刚架通常用于跨度9~36m、柱高4.5~12m、设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑。

以下结合某钢厂钎具钢原料跨主厂房，阐述了门式刚架设计要点及要求。

一、工程概况

本工程位于中国西南地区，抗震设防烈度为6度（0.05g），场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。

厂房的主要用途是钎具钢原料准备，其中设备均为业主自主研发制作设备，重量均不大，对设备基础要求不高。

厂房结构形式为等截面实腹式刚架柱、变截面屋面梁形式，单跨双破，屋面坡度为10%。

厂房设有一台双梁桥式吊车起重量为5t，工作制级别为A5。

因为有双梁桥式吊车，所以，对厂房刚度要求较高，故采用柱脚与基础刚接形式，本工程采用插杯口基础。

二、厂房布置与造型

2.1厂房平面布置

根据多项工程经验，比较合理的门式刚架的间距宜采用6m，7.5m和9m，最大时可采用12m，根据建筑、业主和工艺专业的要求，本工程门式刚架柱间距选7.5m,跨度为24m。

根据文献[2]中温度区段的要求，在非采暖地区房屋的纵向温度区段为220m，本工程纵向总长度为165m，故不用设置伸缩缝。

厂房布置如图所示2-1。

2.2厂房刚架形式

本工程厂房跨度24m，为便于施工，厂房屋面横梁采用拼接形式，拼接形式除了施工方便外，还可以对各段梁截面分别进行设计，减少浪费。

横向布置图如图2-2所示。

图2-1厂房平面布置图

图2-2刚架横向布置图

2.3厂房纵向布置

柱间支撑是厂房结构的中要组成部分，保证厂房的纵向稳定和空间刚度。

柱间支撑分为上层支撑和下层支撑，与柱顶水平细杆、吊车梁（或辅助桁架）等构成柱间支撑体系。

柱间支撑的作用：

1）与框架柱组成刚强纵向框架，以保证厂房骨架的整体稳定和纵向刚度；2）为框架柱平面外提供可靠的支撑或减少柱在框架平面外的计算长度；3）承受厂房端部山墙的风荷载，吊车纵向水平荷载及其他纵向力（如温度应力等）；4）在地震区承受厂房的纵向水平地震作用。

下段柱间支撑决定结构温度的变形，因此应尽可能设置在温度区段的中部。

温度区段长度不大时，可在温度区段中部设一道下柱间支撑，当温度区段大于120米时，须在温度区段三等分的位置设两道下段柱间支撑。

上段柱间支撑除在有下段柱间支撑的柱间布置外，还应在温度区段两端设置[1]，本工程的柱间支撑平面设置如图2-3所示。

（a）

（b）

图2-3柱间支撑平面设置

2.4屋面横向支撑

1）屋面支撑的主要作用是承担和传递纵向水平荷载，保证屋架的整体稳定。

2）厂房单元两端第一开间各设一道横向水平支撑，中间每隔约60m（净距）再设一道。

如果第一开间内不能设置时，可设置在第二开间内，但必须注意，第一开间内相应传递水平荷载的杆件应该设计成压杆。

3）在建筑物内，当柱列有不同柱距时，或当建筑物有高低跨变化时，应设置纵向水平支撑提高结构的整体性，调整结构抗侧刚度的分布，以求减小各刚架柱纵向水平位移的差异，使结构受力均匀、合理。

当建筑物平面布置不均匀时，如果局部凸出、凹进、抽柱等情况时，为提高结构的整体抗侧力，在上述区域均需设置纵横向封闭的连续水平支撑系统。

屋盖水平支撑中交叉腹杆按受拉构件设计，满足强度、长细比要求，长细比限值400。

压杆同屋面系杆。

2.5屋面系杆

1）柱间及屋脊处沿房屋全长必须设置

2）刚性系杆按压杆考虑，需要满足强度、长细比、稳定性要求，可用钢管，也可采用双角钢。

在建筑物跨度较小、高度较低的情况下，可由檩条兼任，但檩条按压弯构件设计，并应保证檩条平面外的长细比和稳定性。

2.6柱间支撑

柱间支撑的截面形式：

1）单片支撑常采用单角钢、两个角钢组成的T型截面、两槽钢组成的工字型截面或方管截面。

2）双片支撑一般采用不等边角钢以长肢与柱连接及由槽钢组成的截面形式。

3）双片支撑之间采用缀条相连接，当双片支撑的间距小于600mm时采用横杆式，当双片支撑的间距大于600mm时则采用斜杆式

三、计算模型及荷载条件

3.1计算模型选取

厂房结构实际上是一个空间结构，若按实际体系和工作情况进行结构静力计算是很复杂的。

在不影响设计精度的前提下，实际结构设计中，通常采用一种近似的计算简图或计算方法以减轻计算的工作量，对于一般的厂房均以横向平面结构作为计算的基本单元。

柱平面外的计算长度，应取阻止刚架柱平面外位移的侧向支撑点之间的距离。

上段柱平面外计算长度取吊车梁顶面至柱顶的长度，下段柱平面外计算长度取基础顶面至肩梁顶部之间的长度。

简化后的厂房的跨度等于上段柱中心线之间的距离[3]，计算时并假定柱与基础之间的连接为刚性连接，计算简图如下图。

图3-1门式刚架计算简图

3.2作用在刚架上的荷载

厂房的主要荷载通过横向刚架传至基础，进行横向平面刚架的计算，需要求出柱系统在各种荷载作用下起控制作用的截面最不利内力，以此作为柱系统设计的主要依据。

作用在横向刚架上的荷载有永久荷载和可变荷载两种，在地震区的厂房还有地震荷载，有时还需要根据工程实际情况计算地基沉降和温度对刚架内力的影响。

永久荷载包括结构自重、屋盖、墙面等重量以及管道和设备等重量；可变荷载包括屋面均布活荷载、风、雪、积灰荷载和吊车竖向荷载和水平制动力荷载。

永久荷载可根据实际情况和荷载规范[3]进行确定计算，地震荷载按抗震规范[4]进行确定，但不与风荷载同时考虑。

吊车的竖向荷载根据吊车的轮压进行确定，其中吊车荷载的最大轮压Pmax和最小轮压Pmin可由吊车的产品目录查处，最小轮压如果没有给出可以按文献[2]计算得出。

吊车的横向水平荷载根据吊车的起重量和吊车总重按文献[2]中的公式计算得出。

竖向荷载通常是设计的控制荷载，地震作用一般不起控制作用。

但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载的作用不应忽视。

竖向荷载通常包括厂房自重、风荷载在屋面产生的风吸力、屋面活荷载、吊车和悬挂运输设备荷载等。

四、纵向结构分析及计算

纵向结构分析主要有柱间支撑计算，纵向刚度计算，温度应力计算。

本文中温度区段满足文献[2]的规定，可不进行温度应力计算。

计算时假定柱顶系杆、吊车梁与柱的连接均为铰接，为简化计算，可假定柱在纵向与基础的连接亦为铰接，此时刚度主要由柱间支撑提供，并忽略偏心的影响全部纵向水平荷载由柱列的所有支撑共同承担。

4.1纵向地震作用的计算

柱间支撑的压杆在进行强度计算时，除考虑长细比影响外，还应计算地震作用重复加载的影响，即计入压杆承载力降低系数[5]。

地震作用按重力荷载代表值进行，各相应的组合值系数及分项系数见文献[5]中相关说明。

在进行纵向结构抗震计算，当采用手算时，在计算出厂房纵向总水平地震作用后，可按各柱列刚度分配作用力。

纵向总水平地震作用可按底部剪力法计算。

首先须确定各质点的重力荷载代表值，然后根据文献[4]算得厂房纵向基本周期，可按下式计算：

（4-1）

其中Ｇi为i质点的重力荷载代表值，ui为将Gi作为纵向水平力求得的i质点处的位移。

根据基本周期T1、地震烈度和场地类别根据文献[4]中的底部剪力法地震影响系数，从而求得总底部剪力：

（4-2）

后按各柱列刚度进行分配，得各柱列所应承受的纵向水平地震作用标准值：

（4-3）

各质点处所作用的地震作用Fi按下式计算：

（4-4）

上式中未说明的符号说明见文献[4]。

后根据

作用求柱间支撑的内力，并计入荷载分项系数，进而对柱间支撑截面及节点进行计算。

4.2厂房纵向刚度的计算

厂房的纵向刚度主要由柱间支撑来保证，对本工程设有重级工作制吊车的厂房，在吊车梁顶面标高处柱的纵向水平位移限值为H/4000，其中H为柱脚地面到吊车梁上翼缘顶面的距离。

计算柱纵向位移时，通长采用简化计算方法，假定：

1.仅考虑柱间支撑的刚度而忽略柱刚度的影响；2.当纵向构件如吊车梁、辅助桁架等截面较大时，可忽略其轴向变形的影响；3.吊车水平力分配在温度区段内所有柱间支撑上。

其详细的计算公式见文献[2][5]。

五、构件设计细部要点总结

5.1梁柱节点

门式刚架横梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。

端板及连接节点应符合下列规定：

1）端板连接应按所受最大内力设计。

2）主刚架构件的连接宜采用高强螺栓，可采用承压型或摩擦型连接。

高强螺栓的直径可根据需要选用，通常采用M16~M24螺栓。

檩条和墙梁与刚架横梁和柱的连接通常采用M12螺栓。

3）端板连接螺栓应成对对称布置。

在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置，并宜使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。

4）螺栓中心至翼缘板表面的距离，应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm，螺栓短距不应小于2倍的螺栓孔径。

5）在门式刚架中，受压翼缘的螺栓不宜少于两排。

当受拉翼缘两侧各设置一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取75mm，且不小于3倍的螺栓孔径。

6）与横梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。

当端板上两对螺栓间的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。

7）同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉力、剪力共同作用下的强度。

8）端板的厚度可根据支撑条件计算，但不宜小于16mm。

5.2抗风柱

抗风柱是设置于厂房端部跨的主刚架柱之间，用于支撑山墙墙板及抵抗水平风荷载的钢柱。

抗风柱的设计方法和构造措施不但影响到抗风柱本身的受力特点，而且影响到与之相连的刚架和基础的设计与受力。

在实际设计中，抗风柱不宜承担上部刚架传递的竖向荷载只承受墙体和自身重量及风荷载。

所以抗风柱与主刚架的连接可采用虚接的方式，螺栓孔采用长圆孔来达到只固定不传力的连接方式。

5.3设备吊挂布置及吊架的设计

在钢结构厂房中，必然会存在各种管线、风道，为了使这些设备管线合理的布置在厂房中而不影响厂房正常的生产空间，就需要合理的设计吊架的形式及位置来满足设备要求。

在厂房中，有几个空间是可以留给设备满足走管需求的：

1）吊车主梁上净空（主要用于走大型风管、主电缆桥架）

2）吊车梁下（用于各种水暖管道、吊车母线及动力管线等）

3）山墙侧壁（适用于各种管道）

通过对厂房结构的分析，在支吊架安装上，有以下两种主要的方案：

1）通过在钢架梁下面增加二次钢梁，来增加吊点，一次性解决了支吊架着力点问题。

但需要大量的二次钢梁，浪费大量的材料，同时也给整个厂房增加了荷载，不利于厂房的稳定。

2）通过在钢柱增加抱卡，在钢梁上直拉吊杆或斜拉拉杆，在吊车梁上加挂吊架等方式解决支吊架着力点问题。

该方案，不仅解决了支吊架着力点问题，同时，给厂房结构增加的荷载非常小。

通过对比以上两方案，应优先采用第二种方案。

同时，把所有专业需要的支吊架在一张图中，进行合图，考虑在同一垂直截面，进行各专业共架，即在同一垂直截面，多个专业在不同的标高上需要支吊架的，进行统一考虑，只设一处吊点，这样可以减少支吊架的用量。

结论

在工业工程设计中，结构设计人不但要熟悉相关结构专业基本设计概念和设计规范，而且要有清晰的设计思路，并且要了解并熟悉其他专业知识。

总结本工程的设计，可以得出如下结论：

（1）厂房实际上是空间结构体系，一般情况可以按厂房横向结构和纵向结构两个相互独立的体系分别按其所承受的荷载进行计算。

（2）当厂房屋面荷载较大时，或有较大的集中力时，在计算纵向结构时，除了验算风荷载及吊车荷载作用外，还应严格验算纵向地震作用。

（3）在进行钢结构厂房设计前，应确定整个厂房不仅仅是柱系统的结构方案，比如吊车梁系统、屋盖系统、墙皮系统，明确各系统之间的构造措施和传力路径，而不应把柱系统看作是一个独立的系统进行孤立的设计。

（4）在厂房设计过程中，要时刻注意方案的比较，选择更为合适且经济的方式。

参考文献

[1]．中华人民共和国国家标准．钢结构设计规范（GB50017-2003）．北京：

中国计划出版社，2003．

[2]．《钢结构设计手册》编辑委员会．钢结构设计手册（第三版）.北京：

中国建筑工业出版社，2004．

[3]．陈远春．建筑钢结构工程设计施工实例与图集．北京：

金版电子出版公司，2003．

[4]．中华人民共和国国家标准．建筑抗震设计规范（GB50011-2010）．北京：

中国建筑工业出版社，2010．

[5]．包头钢铁设计研究院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会．钢结构设计与计算．北京：

机械工业出版社，2003．

[6]．中华人民共和国国家标准．建筑结构荷载规范（GB50009-2012）．北京：

中国建筑工业出版社，2012．

附录