门式刚架轻型房屋钢结构的优化设计

杨奉辉

摘要 着重从门式刚架的跨度，柱距，力学模型，节点连接4个方面对此类结构的优化设计进行了较为详细的探讨

关键词 门式刚架 轻型房屋 设计要点

中图分类号：TU391文献标识码： A

门式刚架作为一种房屋结构形式，用途十分广泛，许多国家如英，美，日，澳大利亚等国家已作为一种经济快捷的建筑结构体系，以商品的形式出售。近些年来，随着我国彩色钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，门式刚架轻型房屋结构在我国大量涌现。据资料统计，我国每年仅新建和在建的钢结构工业民用建筑物就达到：高层钢结构约150多万平米，重型工业厂房约1000多万平方米，门式刚架轻型厂房约1000多万平米，其他的还有很多的空间网架，空间桁架等钢结构建筑物也被大量的建造。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷推向我国市场，国内的钢结构生产厂家和设计单位也纷纷转入此类结构的设计与生产。由此可见，对门式钢架轻型房屋结构进行优化设计，使其达到标准化，规范化，通用化，经济化势在必行，笔者通过多年的设计，提出了优化设计应从以下几方面着手考虑，供同行们参考。

1 合理跨度的选择

不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房的跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度，在尽可能满足生产工艺和使用功能的基础上，应根据房屋的高度确定较为合理的跨度。一般情况下，当柱高，荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。通过大量计算发现当檐高为6米，柱距为7.5米，荷载情况完全一致情况下（恒载0.4KN/平方米，活载0.5KN/平方米，吊挂荷载0.2KN/平方米，基本风压0.4KN/平方米，无吊车），跨度18-48米之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为18-35KG/平方米，当檐高为12米时（其他情况同上），跨度18-48米之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为25-40KG/平方米，当檐高超过18米时，宜多采用多跨刚架（中间设置摇摆柱，其用钢量较单跨刚架节约16.7%左右，因此，设计者应根据具体的要求在选择方案时选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2 刚架最优间距的确定

刚架的间距与刚架的跨度，屋面荷载，檩条形式等因素有关，在刚架跨度较小的情况下，选用较大的刚架间距，增加檩条的用钢量是不经济的，因此，从综合经济的角度看，确定合理的柱距才能既节约钢材，又使设计真正做到定型化，专门化，标准化以及轻型化，从而推动门式刚架轻钢房屋结构体系在我国的发展。经过大量计算，笔者发现：随着柱距的增大，刚架用钢量比例是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓。而其他如檩条，吊车梁，墙梁的用钢量随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。综合各项用钢量表明，对一定条件下的轻钢房屋而言存在一最优柱距。表1所列即为一般情况下，柱高为6米，各种跨度对应的刚架最优间距。

表一 相同条件下各种跨度对应的最优刚架间距

跨度/m 最优间距/m

9-12 5.5左右

12-18 6左右

18-36 6-7.5

36-45 1/5-1/6跨度

45以上 8-9

综合表1所示，一般情况下，门式刚架的最优间距应在6-9米之间，柱距不宜超过9米，超过9米时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。

3 确定科学的结构力学模型

轻型门式刚架的形式多种多样，柱脚与基础通常做成铰接，多跨刚架的中柱多采用摇摆柱。但当柱高度较大时，为控制风荷载作用下的柱顶位移值，柱脚宜做成刚接，多跨刚架的中柱与横梁的连接也宜采用刚接，多跨刚架宜做成多坡较为节省钢材。

门式刚架一般采用实腹式变截面梁和柱，柱通常为楔形杆件，横梁通常做成加腋梁，加腋长度一般取跨度的1/6-1/5较为经济，楔形柱的最大高度取最小截面高度的2-3倍为最优截面。

门式刚架腹板主要以抗剪为主，翼缘以抗弯为主，在无振动荷载作用下，可充分利用腹板屈曲后强度分析构件的强度和稳定性，将构件设计成为高而窄的截面形式（最小截面高度比一般为3-5），构件的平面稳定可通过设置隅撑来保证，为使结构具有可靠的整体稳定性，纵向通常设置由十字交叉圆钢组成的竖向支撑及屋面横向水平支撑，同时，当屋面与檩条连接可靠时，可利用型钢檩条兼作刚性系杆。

在有条件时，檩条可设计成连续檩条，檩条平面外应根据具体情况设置拉条。

4梁柱连接节点

门式钢架斜梁与柱的连接，可采用端板横放，端板竖放和端板斜放三种形式。端板竖放适用于局部等截面柱。当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可以减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的压力对节点受力的有利作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓。端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种形式，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式节点，因此应尽量使用外伸式端板连接，同时应在节点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。

5 结语

以上针对门式刚架轻钢房屋结构的特点，对其结构体系的优化设计从四个方面做个简单介绍。实际上，对此类结构进行优化设计应考虑的因素还有许多，如蒙皮效应，空间协同作用等，在此不再一一讨论。

参考文献

1.张运田 轻型钢结构的运用和发展 见：建设部国家冶金工业局建筑用钢技术协调组。我国建筑钢结构的现状与发展论文集。北京：2005.5

2.CECS 102:2002 门式刚架轻型房屋结构技术规程。中国计划出版社 2003

3.胡宝琳等，轻型钢结构厂房的设计与研究，钢结构2004（5）

作者简介：杨奉辉 男 1980年1月生 工学学士