门式刚架轻型房屋钢结构设计

曹凤兰，李 华

(云南铜业股份有限公司，云南昆明650102)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，钢结构在建筑领域具有举足轻重的作用。无论在工业还是民用建筑中，钢结构以其突出的特点迅速占领越来越广的市场。钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有自重轻、承载力高、整体刚度和抗震性能好、制作工业化程度高、施工速度快、造价低等特点，并且可建大空间、大跨度房屋，造型美观、现代感强，是近年来我国建筑钢结构中应用广泛的类型之一。门式刚架轻型房屋在单层工业厂房、超市、库房、职工食堂、展览馆等各种不同的仓储建筑物中有着广泛的应用。

1 结构形式和布置

在门式刚架轻型房屋的结构体系中，屋盖常采用压型钢板或电木浪板等轻型屋面板及冷弯薄壁型钢檩条，外墙采用压型钢板及冷弯薄壁型钢墙梁。刚架根据其跨度、高度和荷载的不同，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。当设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件;无桥式吊车时，柱宜采用变截面构件。其柱脚构造可为刚接，亦可为铰接。若厂房内有5 t以上桥式吊车或钢架跨度≥30 m时，柱脚应按刚接支撑设计。

门式刚架分为单跨、双(多)跨连续刚架或双(多)跨中间铰接柱(摇摆柱)的连续刚架。一般单跨的跨度为9～36 m、高度为4．5～9．0 m，刚架柱间距为6～9 m。当刚架跨度＞30 m时，宜起拱。

门式刚架轻型房屋的温度缝(伸缩缝)设置:纵向≤300 m，横向≤150 m，屋面坡度一般为1/8～1/20。当坡度＜1/20时，应核算结构变形后雨水顺利排泄的能力。压型钢板墙体一般外墙不宜直接设置于地坪上，应高出室内外地坪，因室外雨水或室内液体介质的浸泡会加快墙板的腐蚀，墙体设置一般为窗台以下或高出室内外地坪250 mm以下用砖砌体砌筑，砌体墙以上才做压型钢板轻型材料外墙。当砌体墙体太长时，在刚架轴线位置处增设构造柱，墙顶设压梁。

2 结构分析和设计

2.1 荷载取值

门式刚架承受的主要荷载为:屋面荷载、吊车荷载、风荷载和地震力。

(1)屋面荷载是由屋盖自重、屋面活荷载、积灰荷载、雪荷载等组成［1］，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活载的标准值(按水平投影面积计算)应取0．5 kN/m2。但对于受荷水平投影面积＞60 m2的刚架构件，屋面竖向均布活载的标准值可取≥0．3 kN/m2(计算檩条的均布活载取0．5 kN/m2，并考虑检修荷载)。

(2)吊车荷载分为竖向荷载和水平荷载，水平荷载又分为纵向水平荷载和横向水平荷载［2］。计算吊车梁及其连接的承载力时，根据吊车工作级别的不同，吊车竖向荷载应乘以不同的动力系数。

(3)风荷载。由于门式刚架轻型房屋高度小，屋面坡度α≤10°，属于低矮房屋，与一般房屋所受的气流机理不同。考虑到近地面湍流规律的复杂性，当房屋所受的活荷载以风荷载为主时，在刚架截面荷载效应的最不利组合中，不应考虑与风荷载效应符号相反的其它荷载效应;反之，当房屋所受的活荷载以其它荷载为主时，若与风荷载效应符号相反，则风荷载效也不应进入截面荷载效应的最不利组合。

(4)地震力。由于门式刚架轻型房屋的自重轻，地震作用相对较小，荷载效应组合时，风荷载不与地震作用同时考虑，但构件的地震计算和地震规定应符合有关要求［3］。

2.2 构件变形规定和构造要求

根据规定，门式刚架柱顶位移设计限值为:无吊车时，当采用轻型钢墙板为(1/60)h，采用砌体墙为(1/240)h;有桥式吊车时，由地面操作为(1/180)h，由吊车驾驶室为(1/400)h。刚架斜梁挠度设计限值仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条时，构件的竖向挠度与跨度比的限值为(1/180)L，有吊顶时为(1/240)L，有悬挂起重机时为(1/400)L(L为构件的跨度，即单坡房屋为斜梁的宽度，双坡房屋为一个坡面斜梁的长度)。当轻型钢结构厂房结构设计跨度较大时，在一定设计荷载情况下，受弯构件的截面大小一般是由挠度变形值控制，而不是设计强度满足结构要求就可以了。在实际使用中刚架斜梁挠度太大不仅影响建筑物的正常使用，而且会造成屋面的变形，使其积水、漏雨，给房屋结构构件和生产安全造成了隐患。对于跨度比较大、挠度较难控制的刚架，可采用加设中间铰接柱(摇摆柱)的方法，使挠度不至于起到控制作用，从而减少钢梁因挠度控制而产生的截面过大，用钢量增加的情况。另外，柱顶位移的变形也应严格控制，若位移变形大，会造成吊车梁的移位变形，形成桥式吊车咔轮，影响通行，也会对结构造成安全隐患。

在结构设计时，钢构件的壁厚不宜太薄，因为在其使用的环境和气候会对构件有一定的腐蚀，为了结构的安全，冷弯薄壁型钢墙梁和檩条其壁厚不宜＜1．5 mm，用于焊接主钢架构件腹板的钢板，其厚度不宜＜4 mm。

2.3 结构方案选择和结构体系布置

(1)结构方案的选择主要是根据建筑物的使用要求、场地地形、工艺配置来确定其平面柱网的布置和房屋的高度设置，刚架的柱距、跨度和房屋高度的合理选择直接影响结构单元面积的用钢量，从而影响整个项目工程造价的经济合理性。若面积大的厂房还需考虑纵、横向温度区段的控制，温度伸缩缝处可设置双柱或通过设置檩条和屋面板的可调节构造来实现。

(2)支撑和刚性系杆的布置。支撑分屋盖水平支撑和柱间支撑，屋盖水平支撑一般设在每个温度区间端部的第1个或第2个开间，若支撑设在端部的第2个开间时，第1个开间应设置相应的刚性系杆。柱间支撑是在厂房纵向柱间设置，并且和屋盖水平支撑设在同一开间，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。无吊车时，一般取30～45 m;有吊车时不宜＞60 m。刚性系杆应在柱顶和屋脊分别设置一道，并延纵向连续布置。屋盖水平支撑、柱间支撑和刚性系杆组成几何不变体系，是构成结构空间稳定的支撑体系，承担和传递风荷载、地震力和起重机等纵向荷载从其作用点传到柱脚最后传到地基，并且可以防止杆件产生过大的振动变形失稳，保证结构安装时的稳定。

(3)檩条和墙梁的截面选型主要是根据其跨度、檩(梁)距和荷载来确定。檩(梁)距一般为1．5 m和3．0 m，当柱距在9 m以下时，檩条通常采用冷弯薄壁型钢;柱距在9～12 m范围内时，需要采用更大截面的构件，如高频焊接H型钢等。屋面檩条一般宜等间距布置。侧墙墙梁的布置，还应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求，墙梁通常布置在刚架柱的外侧，其间距由墙板板型和规格确定，且不能大于由计算确定的数值。

2.4 结构设计

门式刚架轻型房屋的结构计算分为结构横向计算和纵向计算，横向计算主要是单榀门式刚架的内力和变形计算，也就是承载能力计算;而纵向计算是建筑物的纵向稳定计算。由于建筑物在长度方向的纵向结构刚度较弱，于是需要沿建筑物的纵向设置柱间支撑以保证其纵向的稳定性。设计时可以用软件PKPM2010中的STS建模进行结构计算分析。

3 门式刚架设计时应注意的问题

(1)钢结构抗腐蚀性能较差，易锈蚀，主要与建筑物周围的环境、大气中的有害成分(如酸、盐等)和建筑物内的温湿度及通风情况有关，一般不宜用于高湿、高温及强烈腐蚀介质的环境中。设计时应尽量采用自然通风较好的结构布置方案，隔离有腐蚀介质区域或限制腐蚀介质的来源，节点的构造宜简单，尽量避免采用易于积灰、积水及难于检查、清除、涂漆的截面，并进行除锈涂漆处理。若结构处于湿度较大、有侵蚀性介质的环境中，还要用防腐材料包裹，先除去构件表面的锈，环氧腻子补缝刮平，用环氧玻璃钢布等抗腐蚀的材料包裹，层数根据腐蚀介质的强弱来定。在施工时尽量避免或减少涂刷油漆后进行焊接，以防止破坏漆膜的完整性，对破坏的应及时补涂油漆。

(2)钢结构建筑的抗火性能差，极易传导热量，在保证结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围内，必须进行防火保护和防火处理。主要方法有涂料保护、防火板保护、混凝土保护、柔性卷材保护、无机纤维保护、结构内通水冷却保护等措施。

(3)门式刚架斜梁拼接时，翼缘板和拼接的拼接接头不能放在同一截面上，应错开拼接。

(4)门式刚架柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的砼包裹，包裹厚度要≥50 mm，包裹高度要高出地面150 mm;若柱脚底面在地面以上时，柱脚底面应高出地面100 mm。

4 结 语

门式刚架轻型房屋具有自重轻、承载力高、整体刚度和抗震性能好、制作工业化程度高、施工速度快、可建大空间、大跨度房屋等特点，在工业、商业及文化娱乐公共设施等领域被广泛应用。门式刚架轻型房屋的结构设计过程中，通过对结构设计的布置、分析及设计方案的选择，合理配置，能有效地起到规范化、专业化的制作安装，起到节约投资的作用。

［1］中国工程建设标准化协会．CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)［S］．北京:中国计划出版社，2012．

［2］GB 50009-2012建筑结构荷载规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［3］GB 50011-2010建筑抗震设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［4］GB 50017-2003钢结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2003．

［5］赵熙元，柴昶，武人岱．建筑钢结构设计手册［M］．北京:冶金工业出版社，1995．

［6］王全凤，高轩能，等．钢结构设计及实用计算［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［7］林攀举．浅谈门式钢架轻型房屋钢结构设计［J］．科技资讯，2010(21):79．

［8］万春．轻型门式钢架结构的设计和应用［J］．四川水力发电，2010(4):87-88．

［9］韩旭，谭碧，程印．门式钢架设计中风荷载体型系数的取用研究［J］．工业建筑，2009(增刊):1112-1117．