门式刚架轻型房屋钢结构设计方法及其应用

潘新莹，伊 震，闫素美，涂 蕊

（中国寰球工程公司 辽宁分公司， 辽宁 抚顺 1130061）

轻型门式刚架结构是石油化工生产装置建构筑物广泛采用的一种形式，尤其是用于需要考虑泄爆设计的压缩机厂房。这种结构形式具有用钢量省，自重轻，施工方便快速，造型朴素大方的特点。笔者结合自己的设计经验，总结了这类结构设计时需要特别注意的问题。

1 门式刚架适用的结构

主刚架适于具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20 t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。

悬挂吊车不宜大于3 t，因为轻型房屋的刚度相对差，悬挂吊车吨位大，可能导致刚架挠度难于满足要求或设计效果不经济。

适于起重量不大于20 t，工作级别为中、轻级，即工作级别A1～A5桥式吊车，否则吨位大、刹车力大、荷载大，造成厂房不经济。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102︰2002 ，以下简称门规）适用于具有轻型屋盖和轻型外墙的房屋，主刚架跨度不大于36 m，檐口高度不大于15 m，当桥式吊车起重量不大于10 t、没有较大的吊挂荷载以及基本风压不大于 0.6 kPa且抗震设防烈度不大于7度时，檐口高度可放宽至18 m[4]。附录A采用的风荷载系数适用于屋面坡度不大于10度，屋面平均高度不大于18 m，房屋高宽比不大于 1、檐口高度不大于房屋的最小水平尺寸的门式刚架轻型房屋[4]。在设计实践中经常会遇到超出上述限制的钢结构厂房，我们仍然可以采用门式刚架钢结构，但此时门规已经不再适用，应按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定的柱顶位移限值、挠度限值、构件变形和支座位移允许值等规定执行。结构体系布置时屋盖宜设置纵向水平支撑和横向水平支撑，一起构成封闭的支撑体系，增强房屋整体刚度。刚架柱和斜梁必须采用刚性系杆来保证其侧向稳定；支撑不宜采用圆钢，宜采用型钢；中柱不宜采用摇摆柱；柱脚宜采用刚接，柱子宜采用阶梯形。

2 设计中应引起重视的问题

（1）基本风压应乘以1.05的调整系数[1]。

（2）抗震验算时结构的阻尼比可取0.05[2]，钢结构在多遇地震下的阻尼比,不超过 12层的可采用0.035[3],超过12层的可采用0.02[3]。单层厂房钢结构在多遇地震下的阻尼比宜取0.05[2]。

（3）柱脚宜设计成铰接节点，当用于工业厂房且有5 t以上桥式吊车时，柱脚宜设计成刚接。抗震设防烈度为8、9度时，柱脚应采用插入式或埋入式柱脚。

（4）在设有驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。

（5）当设有起重量不小于5 t的桥式吊车时，柱间宜采用型钢支撑。在8度及以上地震区或地震作用效应组合起控制作用时，门式刚架房屋的屋面横向水平支撑和柱间支撑亦应采用型钢支撑。

（6）屋面横向水平支撑与柱间支撑应布置在同一跨间内。布置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。根据门规第4.5.1条第2款和第4.5.2条第1款的规定，宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间。当端部支撑设在第二开间时，在第一开间的相应位置设置刚性系杆。在布置柱间支撑的开间，宜同时布置屋面横向水平支撑。

（7）屋面横向水平支撑的节点应设置在抗风柱顶节点处。屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处，可以使抗风柱柱顶的反力直接传递，避免刚架斜梁受扭。

（8）柱脚锚栓的直径不宜小于24 mm，且应设置双螺帽。柱脚锚栓直径除按计算确定外，考虑到实际工程中可能会承受部分水平剪力等不利因素，其直径不宜过小。一般情况下，刚架跨度不大于18 m时,采用2个M24的锚栓；刚架跨度不大于27 m时,采用4个M24的锚栓；刚架跨度不大于30 m时,采用4个M30的锚栓。柱脚锚栓采用Q235钢或Q345钢制作，柱脚锚栓均应设双螺帽，以防螺帽松动，影响柱脚安全可靠的工作。

（9）当门式刚架跨度大于40 m小于60 m，或高度大于13 m小于18 m时，宜采取下列措施：屋盖宜增设纵向水平支撑和横向水平支撑，一起构成封闭的支撑体系，增强房屋的整体刚度；支撑设计计算时，宜考虑由端部柱间支撑及屋面横向水平支撑负担山墙面的风力。刚架柱和斜梁必须采用刚性系杆来保证其侧向稳定，不宜依靠隅撑保证侧向稳定。檩条不宜兼作系杆，系杆必须用型钢另外设置。支撑不宜采用圆钢，宜采用型钢。

（10）当厂房布置有防火墙，且防火墙顶部与刚架梁有构造连接时，应计入其地震作用。

（11）吊车梁兼做厂房刚性系杆时，应设置双侧隅撑与刚架柱外翼缘相连。

（12）各节点设计一定要认真考虑腐蚀因素。

3 设计案例分析

下面是笔者最近设计的一个工程。该工程抗震设防烈度8度（0.20 g），吊车吨位32 t，檐口高度16 m，跨度21 m，因工艺需要，在标高4.8 m处布置二层钢结构平台，厂房一侧布置有管架（一侧厂房柱兼做管架柱）。考虑到吊车吨位超过20 t，进行构件设计时采用钢规，钢柱的长细比控制为 120。采用PK-STS进行计算，结果图1所示。

图1 配筋包络和钢结构应力比图Fig.1 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

结果显示左侧钢柱局部长细比达到了 149，超过了允许值。笔者没有采取继续加大截面的做法，而是对结构进行了细致分析。长细比取决于计算长度系数，钢规对于阶形柱的计算长度系数有专门规定，其计算不同于一般钢框架按梁柱线刚度比的计算模式，阶形柱计算长度不仅与上下柱截面有关，还与上下柱轴力比值有关，这就解释了为什么同样的截面，厂房左、右柱计算长度却不同。程序对于和梁刚性连接的柱，强制采用线刚度比的计算方法，此时只需要把与厂房柱相连的梁改为铰接，再进行计算，就可以得到规范算法的结果了，如图2、3所示（为了作比较，厂房右柱未作改动）。

图2 配筋包络和钢结构应力比图Fig.2 Reinforcement envelope and stress ratio of steel structure

图3 平面内计算长度系数Fig.3 In-plane calculated length coefficient of columns

实际上梁柱是刚接的，因此设计人员应记录下按阶形柱计算模式得到的计算长度系数，然后再把梁柱节点改为刚接，同时人工指定计算长度系数，把记录下来的数据填入再进行计算即可。

4 结 语

只要理解规范的实质，合理设计，门式刚架轻型房屋钢结构可以在很多场合发挥其优势。北京西郊机库和大连南关岭粮库等都达到单跨 72 m;我公司设计的石油一厂新区石蜡成型装置库房和成型机厂房单跨跨度也已经达到60 m; 檐口高度27 m甚至32 m，吊车吨位240 t、350 t的轻钢厂房也已经付诸实际工程。在遵循相关规范的基础上，不断探索新的设计理念和结构构造，提高门式刚架轻型房屋结构设计水平，为我国有中国特色社会主义现代化建设奉献才智，是我们每一名技术人员应尽的职责和使命。

［1］ GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S]．

［2］ GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S]．

［3］ GB50017-2003,钢结构设计规范[S]．

［4］ CECS 102:2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．

［5］ 陈友泉,等.门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释疑[M].北京:中国建筑工业出版社，2009．

［6］ 张运田.门式刚架常见问题及其改进措施[M].北京:中国建筑标准设计研究院，2002．