轻型钢结构门式刚架设计探讨

陈延军

摘要：在建筑结构设计中，轻型钢门式钢架的设计是比较常见的，但是，其设计并不是十分的容易。如何进行轻型钢门式结构的设计是我们进行设计时首要考虑的问题。下面本人就通过近几年从事门式刚架设计的实践和体會，总结出在门式刚架设计中经常出现的几个应该注意的问题，供大家在设计门式刚架时参考。

关键词：轻钢，门式刚架，刚架设计

前  言

轻型钢门式结构设计对于建筑工程钢结构设计来说具有十分重要的作用，对于钢结构设计的发展也是具有重大意义的，因此我们应该加强对于轻型钢门式结构设计的探讨。下面笔者就通过自己的研究和工作经验对于轻型钢结构门式钢架的设计进行分析。

一、柱脚设计

门式刚架柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但大部分门式刚架厂房都有吊车，有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不易大于50 mm，柱脚刚接时不易大于100 mm。

二、轻型钢门式结构的优化设计

1.合理跨度的确定

在设计中，应该根据具体房屋的高度来确定合理的跨度，总体来说，当荷载和柱高一定时，我们在设计中就应适当加大房屋的跨度，这样一来，刚架的用钢量整体增加不明显，但却很大程度上节省了空间。—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。因此，设计者应根据具体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.刚架最优柱距的确定

刚架的柱距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关。随着刚架柱距的增大，刚架用钢量是逐步下降的，但当柱距增大到一定的数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降后上升。大量计算数据表明：一般情况下，门式刚架的最优柱距为6—9 m，柱距不易超过9 m，超过9m时，屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。因此，从综合分析的角度看，确定合理的柱距才能既节省钢材，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型房屋结构体系在我国的发展。

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，柱脚和基础通常做成铰接，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来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化。

上下翼缘可用不同截面;相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此，影响整个钢架用钢量的因素有上翼缘的宽度、厚度;下翼缘的宽度、厚度;腹板的厚度;构件大头、小头的高度;而且这些因素之间也互相影响。互相不独立。柱通常为楔形杆件，楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2—3倍为最优截面。

三、实例分析

某省选煤设计研究院运用门式框架技术为该省一选煤厂设计了新的选煤主体建筑一 主厂房使用外部门式框架，内部块式框架结构，保温的双层压型墙面，具有极好的采光通风作用。

1.梁柱节点设计：梁柱节点形式见图1

图1   节点设计图

连接处选用如下组合内力值：

[M=-335.33KN?M，N=-64.30KN（使螺栓受压），Q=115.40KN]

[采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN，摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数μ=0.45，螺栓承受拉力为：第一排：N1=My1∑y2i-Nn=335.33×0.3724×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=155.37-6.43=148.94kN第二排：N2=My2∑y2i-Nn=335.33×0.2124×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=88.54-6.43=82.11kN第三排：N3=My3∑y2i-Nn=335.33×0.1324×（0.1322+0.2122+0.3722）-64.3010=55.13-6.43=48.70kN    ，其抗拉承载力为：    [Nbt]=0.8P=0.8×225=180kNNbt=πd2e×fbt/4=π×21.182×500/4=176.2kN>148.94kN，满足要求。    螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面三排不计外加压力，只考虑预压力）    Vb=∑0.9μμf（P-1.25Nt）=2[0.9×0.45×（225-1.25×148.94）+0.9×0.45×        （225-1.25×82.11）+0.9×0.45×（225-1.25×48.70）+0.9×0.45×225×6]      =810.26kN>115.40kN]

2.梁节点设计图如下：

连接处选用如下组合内力值：

[M=246.78KN?M，N=-57.82KN（使螺栓受压），Q=5.79KN]

[采用摩擦型高强螺栓，采用10.9级M24螺栓，预压力P=225kN，摩擦面采用喷砂的处理方法，摩擦系数μ=0.45，螺栓承受拉力为：第一排：N1=My1∑y2i-Nn=246.78×0.3724×（0.2122+0.3722）-57.828=125.17-7.23=119.94kN第二排：N2=My2∑y2i-Nn=246.78×0.2124×（0.2122+0.3722）-57.828=71.34-7.23=64.11kN    其抗拉承载力为：    [Nbt]=0.8P=0.8×225=180kNNbt=πd2e×fbt/4=π×21.182×500/4=176.2kN>119.94kN，满足要求。    螺栓群的抗剪力（M24螺栓）（下面二排不计外加压力，只考虑预压力）    Vb=∑0.9μμf（P-1.25Nt）=2[0.9×0.45×（225-1.25×119.94）+0.9×0.45×        （225-1.25×64.11）+0.9×0.45×225×4]      =542.65kN>5.79kN]

[端板厚确定：第一排螺栓端板厚 ：t≥6efNtbf =6×68×119.94×103400×205=24.4mm，第二排螺栓端板厚 ：t≥6efewNt[ewb+2ef（ef+ew）]f  =6×68×97×64.11×103[97×400+2×68×（68+97）]×205=14.2mm，采用端板厚t=26mm。端部腹板设置加劲肋，加强腹板强度，详见施工图]

四、结束语

轻型钢门式钢架结构在建筑结构设计中是普遍存在的，因为这种结构设计具有很強的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。但是这种钢结构设计在目前还不是很成熟，在建筑工程中的应用不是很好。因此，为了更大范围的发挥这种结构设计的优势，确保这种钢结构设计的质量，我们就需要对该种钢结构设计进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计技术，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。

参考文献：

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[2]董玉竹，姜春宝.轻型钢结构门式刚架的优化设计探讨.黑龙江科技信息  2010-02-25.

[3]宋新利.门式钢架变截面斜梁设计探讨.河南省土木建筑学会2010年学术研讨会论文集.2010-08-01.

[4]赵希平.某轻钢门式钢架厂房火灾后的恢复.第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集.2003-07-01.