谈门式刚架的结构设计

王立文

(太原市热力公司基建处，山西太原 030001)

0 引言

从人类发展历史看，建筑结构与结构体系的产生与发展总与一定时期的生产和生活水平密切相关，门式刚架轻型房屋钢结构作为现代钢结构中的一支奇葩，必将得到长足的发展。

1 我国的应用情况

我国门式刚架轻型房屋钢结构的应用和研究起步较晚，但类似门式刚架体系的结构早在建国初期的一些旧工厂改建时已见到。早期的格构式刚架的屋面采用薄钢板、油毡、望板，保温材料是锯末、石灰等轻质材料，目前我国门式刚架结构的设计、制作、安装技术已趋于成熟，每年新增建筑面积近200万m2，应用范围包括各类轻型工业厂房、体育场馆、娱乐场所等公共建筑，仓库及储运设施、超市、零售和商业服务等。

2 门式刚架轻型房屋钢结构的概述

2．1 结构构成

门式刚架轻型房屋由主体承重结构、围护结构和辅助结构三部分组成。主体承重结构包含钢结构承重系统和基础。1)钢结构承重系统一般由主刚架、支撑系统、系杆等构成;基础一般采用钢筋混凝土独立基础。围护结构系统包括屋面和墙面两部分。2)屋面围护结构由彩色压型钢板和檩条共同构成，檩条多采用“C”形和“Z”形冷弯薄壁型钢制作，一般在檩条间顺屋面方向设置拉条，檩条与刚架斜梁间设有隅撑;墙面围护结构由彩色压型钢板墙板和墙骨架组成。

2．2 荷载作用和传力路径

门式刚架轻型房屋承受的外力作用有竖向和水平荷载。竖向荷载主要由横向主刚架承受，主要传力路径为:屋面荷载作用于屋面板→檩条→刚架斜梁→(托架)→刚架柱→基础。水平荷载有两个作用方向，即横向水平作用和纵向水平作用。横向水平作用主要由横向刚架承受，刚架依靠其自身刚度抵抗外部作用，传力路径为:围护结构→主刚架→基础。纵向水平作用通过屋面水平支撑和柱间支撑系统传递，纵向风荷载作用的传力路径为:风荷载作用于山墙墙面板→墙梁→墙架柱→屋盖水平支撑→柱顶系杆→柱间支撑→基础。

2．3 门式刚架的分类

门式刚架包含多种形式，可从跨数、高度、屋面的坡向及柱脚的支承条件等多方面进行分类。依据刚架的跨数可分为单跨、双跨和多跨门式刚架结构;根据屋面坡度可分为单坡和双坡门式刚架结构。

3 材料指标

《建筑结构可靠度设计统一标准》明确规定:“为保证建筑结构具有规定的可靠度，除进行必要的设计计算外，还应对结构的材料性能、施工质量和维护进行相应的控制。”钢结构所用的主要材料为钢材，钢材的脆性与含碳量及硫、磷含量密切相关。门式刚架轻型房屋钢结构一般采用碳素结构钢或低合金高强度结构钢。

门式刚架轻型房屋钢结构的构件设计由强度、稳定和变形共同控制。钢材牌号和材性的选择应保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，且应考虑结构的重要性、荷载特征、应力状态、连接方法及工作环境等因素。门式刚架轻型房屋钢结构所用钢材的板件厚度相对较小，构件稳定性和变形(挠度)常起控制作用。对以强度控制为主的构件，可采用低合金高强度结构钢，而以变形为主控制因素的构件，则采用碳素结构钢较为经济、合理。

门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B和Q345A及以上等级的钢。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。但当有根据时，门式刚架、檩条和墙梁可采用其他牌号的钢制作;门式刚架轻型房屋的檩条和墙梁多采用冷弯薄壁型钢，为使构件具有合理的承载力，截面几何尺寸应满足宽厚比等方面的要求。

门式刚架轻型房屋中常用的螺栓包括普通螺栓和高强度螺栓，其中高强度螺栓有承压型和摩擦型两类。普通螺栓多用于次要构件的连接，主刚架一般采用高强度螺栓连接。

4 设计提示

设计提示是钢结构设计开始前，收集与结构设计相关的建筑功能、建筑所处的环境条件、地质条件、工艺要求及建筑平面布置等一些前期资料准备工作。搜集和整理相关的资料后，可以为结构方案的确定及结构受力分析创造条件，设计提示主要有:

1)建筑物的用途。门式刚架轻型房屋钢结构可用于工业建筑中的厂房、仓库等以及民用建筑中的超市、体育馆、展览馆等。不同类别建筑物的功能各异，使用年限、重要性和安全等级等方面也各不相同，建筑要求也有所差别。因此，明确建筑物的功能要求、使用情况和工艺流程，对确定结构重要性、安全等级及结构所受的主要荷载等具有重要意义。

2)建筑物的环境条件。建筑物的环境条件实际上涉及其所处的地理位置与局部环境，结构外荷载如雪荷载、风荷载等直接取决于其地理位置，而局部场地条件则对相关荷载的一些系数如风荷载的地面粗糙度影响度系数有影响。了解建筑物的环境条件可准确把握建筑物的外部荷载作用，可确保结构设计安全。

3)建筑图是结构体系布置的直接依据。建筑图应包括平面图、立面图和主要剖面图。工艺布置通过设备图表现，应包含设备平面布置图、地沟及其深度、宽度等平面尺寸、立面图，复杂设备还应有剖面图反映设备的高度和底面标高，对具有固定基础的设备，设备厂商应提供基础布置平面和预埋螺栓或预留孔洞的要求。建筑平面图应明确建筑的平面尺寸、采用的柱网尺寸、变形缝和伸缩缝的设置位置等;建筑立面图须明确墙体高度、屋面坡向和坡度、气楼、天沟、雨篷、挑檐等，应特别注意与工艺专业协调一致的柱间支撑的位置和形式，此外，还应明确屋面与墙体材料及其构造，为屋面荷载和墙面材料的计算提供依据。

4)地质条件和场地条件。地质条件主要通过地质报告反映，依据地质报告确定的地基承载力和建议的基础形式，结构设计者可确定结构的基础方案。地质报告必须包含基础设计所需要的全部指标和参数。由于门式刚架尤其是多跨刚架为多次超静定结构，基础的沉陷对结构有一定的影响，因此设计基础时一定要认真研究地质报告，对软弱土质地基需采取相应的处理措施。

我们平常在设计门式刚架轻型房屋钢结构中还要参照一些规范、规程和标准，现在将我所知道的一些规范罗列给大家，希望大家能借鉴:

《建筑结构可靠度设计统一标准》，该标准为结构的可靠度设计提供了基本原则和方法，是结构设计的纲领性指导文件，对结构的使用年限、安全等级和设计使用年限内应满足的功能要求给出明确的规定;《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》对承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架结构的设计给出了具体规定，包括门式刚架轻型房屋钢结构的设计原则、荷载作用、材料选用和构造要求等，规定了结构形式和构件的布置原则。此外还有《钢结构设计规范》《冷弯薄壁型钢结构技术规范》《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》等等我就不一一列举了，但是我们应把握规范的适用范围及相关规范间的相互衔接，则可确保对规范使用和理解的准确性对特色条件或状况下的一些规定，设计者最好能对照规范的条文说明进行解读。

5 结语

作为一个多年结构设计人员，在工作过程中，我不断的摸索与积累经验，但是我国的经济发展飞速，钢结构的发展空间非常之大，所以我们从业人员必须不断的探讨、不断的研究新产生的问题，同时不断的总结经验和教训，这样我们的钢结构设计才能稳步发展，才能更好地建设我们的国家。