对门式刚架轻型房屋钢结构规程的理解

袁 志 昊

(太原市热力设计有限公司，山西 太原 030012)

对门式刚架轻型房屋钢结构规程的理解

袁 志 昊

(太原市热力设计有限公司，山西 太原 030012)

介绍了门式刚架轻型房屋钢结构的特点，依据相关规程，对其适用范围进行了分析，并探讨了该结构的应力蒙皮效应，论述了其抗震特点，指出门式刚架轻型房屋钢结构具有造价低、特性好、施工周期短等特点。

钢结构，门式刚架，应力蒙皮效应，特点

门式刚架轻型房屋钢结构以其钢材省、造价低、特性好、工厂制作快、施工周期短、造型简单大方等优点，受到广大业主的喜欢和追捧，在国内得到迅速推广。目前采用其主要结构形式包括商店、厂房、超市、仓库等其他用途房屋。同时也成为中小型企业钢构件厂的主要产品。由于传统钢结构厂房和门式轻钢结构有所不同，虽然看似单层房屋，形式很简单，但许多问题需在工作中不断总结、研究才能在各方面都取得满意结果，达到安全可靠，经济合理的目的。

1)门式刚架轻型房屋钢结构的特点。

该结构属于平面受力结构体系，以不同跨度和高度的门式刚架为单元进行组合，通过不同的变化来满足建筑不同的要求；另外其立面布置也可以设计成高低错落形式，平面布置几乎不受限制。从方便制作方面来说，单个构件设计可以以成品H型钢为主材；从节省用钢材量方面来说，设计可以通过弯矩图选择合适的变截面型钢来实现。墙面及屋面采用轻型压型钢板改变了以笨重为特点的传统建筑外表。优点为：门式轻钢结构用钢量省、自重轻、造价低；外观漂亮，具有现代感，能满足大部分使用功能，可以在各个工业领域中使用；施工中不用大型施工器械且施工周期短；压型钢板作为长坡屋面排水必要条件，经常制作成单脊双坡的大空间建筑。

在门式轻钢结构的结构体系中，由冷弯薄壁型钢的檩条和墙梁组成的次结构与压型钢板的围护结构之间，次结构支撑围护结构传递的荷载，同时围护结构的蒙皮效应作用对次结构提供了有效的作用。刚架作为门式轻钢结构的主结构，它受到次结构和面板传递来的荷载，反之它们对主刚架起重要的支撑作用。从压型钢板的面板到主结构，其所有材料都发挥了应有的效能，是一个经济合理的建筑结构体系，受到钢构件厂，施工单位及用户的欢迎。

2)依据CECS 101∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程一般工程适用范围。

该规程适用主要承重结构是单跨及多跨的下列单层门式轻钢结构的设计、制作及安装。

a.具备轻型屋盖和外墙的房屋。轻型屋盖和外墙主要指采用压型钢板的屋面和外墙，该建筑除了重量轻，其蒙皮刚度对门式刚架的平面结构的整体刚度起到有利的加强作用，这就是门式轻型房屋钢结构与普通钢结构的主要区别点。b.门式轻钢结构跨度最长不超过36 m，最合适的经济跨度为12 m～20 m；檐口要求不高于15 m，特殊情况下檐口高度不超过18 m。这是主要考虑檐口太高或跨度太大，其刚架构件本身刚度很大，墙面或屋面的蒙皮刚度相对较小，对加强门式刚架轻钢结构的整体刚度的作用微乎其微，可以忽略不计，跟普通钢结构区别不大，《门式刚架轻型房屋钢结构规程》规定的位移限值、长细比等都不适用，而是按GB 50017-2010钢结构设计规范的相关规定执行。c.对吊车情况的要求：A1～A5的轻、中级工作制桥式吊车的起吊量不大于20 t或悬挂式起重机起吊量不大于3 t。依照门式刚架轻型房屋钢结构规程的规定，用于桥式吊车的吊车梁放置于刚架柱子伸出的牛腿上，故桥式吊车的起吊量不宜太大。d.对于顶层为门式刚架轻钢结构的多层房屋设计时，该部分钢结构的设计、制作和安装可依照《门式刚架轻型房屋钢结构规程》执行，但应将多层房屋和门式轻钢结构作为一体一起分析计算，特别是抗震部分，着重应注意多层房屋结构与顶层轻钢房屋内力和位移的影响。有些同行认为，门式轻钢结构很轻，放置在多层房屋顶上不会有问题。当然对于多层房屋结构的影响极小，但是多层房屋的刚度普遍都大于顶层门式轻钢结构的刚度，由于刚度的突变，在地震力或风荷载作用下，多层房屋结构的位移对顶层门式轻钢结构的影响就不能忽略不计，做整体结构分析，就能考虑多层房屋结构对顶层门式轻钢结构的影响了。e.从耐久性考虑，因门式轻钢结构的构件截面较薄，故《门式刚架轻型房屋钢结构规程》不适用于强侵蚀介质环境的房屋。f.以上条件仅适用于梁、柱为H型钢构件，超出部分也可以采用门式刚架结构形式，但梁、柱采用格构式或两型钢组合的实腹式，主结构基本上按照GB 50017-2010钢结构设计规范的相关规定执行。

3)在门式轻型房屋钢结构中由压型钢板组成的围护板的应力蒙皮效应的概念，以及在应力蒙皮效应在规范中的体现。

在门式轻型房屋结构中檩条、脊檩把屋面压型钢板牢固连接，墙梁把墙面压型钢板牢固连接，门式刚架构件把檩条和墙梁牢固连接。从而屋面板和墙面板引起蒙皮应力作用的隔板。把单个所承受平面作用的刚架连接成整体，既而提高了门式刚架的整体刚度，从而减少了结构的实际位移量。由压型钢板组成的围护板的应力蒙皮作用，极大的提高了由冷弯薄壁型钢构成的檩条和墙梁的整体稳定性，同时使隅撑与由冷弯薄壁型钢构成的檩条和墙梁所组成的体系，可以将门式刚架构件受压翼缘作为侧向支撑点。

水平荷载作用下，坡度较小的双坡顶门式刚架结构由外部蒙皮围护构成体系的变形情况，沿刚架方向整个单坡屋面像平躺的深梁一样工作，其脊檩和檐口的檩条就像钢屋架的上、下弦杆，除了受剪力外，还受轴向压力作用、拉力作用。为了保证受力具有蒙皮作用，山墙处的檩条端头设置沿屋面坡度的墙梁。作用在屋面的竖向荷载的变形：两侧的屋面像倾斜放置的深梁一样受弯，屋脊处受弯，檐口檩条处受拉。所以，脊檩、檐口处檩条及山墙部位都是构成屋面整体蒙皮作用的主要部位，在设计中要引起足够的重视。

4)在CECS 101∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中体现应力蒙皮作用。

a.规范第3.4.2条关于“钢柱柱顶位移设计值的限值”和“受弯构件的挠度与跨度的比值”都大于GB 50018-2002冷弯薄壁型钢结构技术规范第10.1.6条和GB 50017-2003钢结构设计规范的第3.5.1条中规定的限值，其原因就是考虑围护压型钢板的应力蒙皮效应。b.规范第3.5.2-1条关于受压构件的长细比限值也是宽于GB 50017-2003钢结构设计规范第5.3.8条。也是考虑围护压型钢板的应力蒙皮效应而适当放宽。c.规范第6.5.3条“当同一柱列设有多道竖向支撑时，纵向力在支撑间可按均匀分布考虑”，同理，当房顶有多道横向支撑时，在支撑之间的风荷载也可以理解为均匀分布。这样的规定同样是考虑了围护压型钢板的应力蒙皮效应，使结构考虑了一定量的空间作用。d.规范第6.6.3条“当在屋面板上开设直径大于300 mm的圆洞和单边长度大于300 mm的方洞时，宜根据计算采用次结构加强。不宜在屋脊开洞。屋面板上应避免通长大面积开孔(含采光孔)，开孔宜分块均匀布置”。这个规定就是避免破坏屋面压型钢板的应力蒙皮效应。

5)门式轻型房屋钢结构地震(抗震)特点。

a.门式轻钢结构的房屋由于自重轻，具有低矮型的特点，因此有良好的抗震性能。其表现在两个方面：其一具有良好的延性，它是采用端板连接，而不是钢框架结构的刚性连接。在弹塑性阶段，这种端板连接是半刚性连接，当外部荷载超过设计值时，产生弹塑性变形，加大变形，使受弯承载力减小。另一方面是其自重轻地震作用力小，虽然设计中屋面活荷载按0.5 kN/m2考虑，但是在实际使用阶段，屋面的荷载一般都很小。b.门式轻型房屋钢结构在地震作用下，可能将横向地震力作为设计控制值；也可能横向地震力不作为设计控制值；或者可能将纵向地震力作为设计控制值，其横向地震力不作为设计控制值。在《门式刚架结构抗震分析》[3]一文指出在水平地震力作用下，当门式轻钢结构跨高比大于3.5时，地震力组合不起控制设计。

6)门式轻型房屋钢结构厂房因其围护结构采用轻型材料，其自重轻，与一般单层钢结构厂房的抗震规定不适用门式轻型房屋钢结构厂房，故CECS 101∶2002门式刚架轻钢房屋钢结构技术规程规定：

a.第3.1.4条及其说明规定“当由抗震控制结构设计时，尚应采取抗震构造措施”，应执行GB 50011-2010建筑抗震设计规范第8.1.3条关于房屋应根据房屋高度、抗震烈度和设防类别采用不同的抗震等级。b.单层门式轻钢结构房屋属于低矮型，高度一般不超过18 m，属于剪切变形，质量主要在屋顶处，即结构的上部，属于单质点体系结构，满足GB 50011-2010建筑抗震设计规范第5.1.2条的底部剪力法条件，所以CECS 101∶2002门式刚架轻钢房屋钢结构技术规程第3.1.6条规定抗震计算按底部剪力法。c.CECS 101∶2002门式刚架轻钢房屋钢结构技术规程第3.1.4条及条文说明指出，当设计时由地震组合控制，需采取一定措施。例如：斜梁的下翼缘与钢柱的连接宜使用加腋的方式加强节点强度；各个构件应采用螺栓连接；柱脚的抗拔和抗剪承载力设计值应有所提高，同时柱脚底板下设置抗剪键，钢筋混凝土柱头的锚栓应采取合适的构造措施来提高其抗拔力等。

[1] CECS 101∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构规程[S].

[2] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3] 申 林，胡天兵，蔡益燕.门式钢刚架结构抗震分析[J].建筑结构，2002,32(12):138-139.

Understanding the portal frame light house structure in design

YUAN Zhi-hao

(TaiyuanPowerDesignLimitedCompany,Taiyuan030012,China)

This paper introduced the characteristics of portal frame light house steel structure, according to relevant rules, analyzed its applicable scope, and discussed the stressed skin effect of the structure, discussed its seismic characteristics, pointed out that the portal frame light house steel structure with the advantages of low cost, good properties, short construction cycle and other characteristics.

steel structure, portal frame, stressed skin effect, characteristic

1009-6825(2014)35-0056-02

2014-10-09

袁志昊(1972- )，男，工程师

TU391

A