轻钢门式刚架结构的设计要点

陈延军

摘要：随着近年来我国彩色钢板产量的增加和焊接 H型钢的出现，轻钢结构在我国进入发展时期。门式刚架轻型房屋钢结构设计一般采用以概率论为基础的极限状态设计法，按分项系数设计表达式进行计算;承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

关键词：轻钢门式;刚架结构;设计要点;注意问题

前  言

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强的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。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的要点进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计要点，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。

一、轻钢门式刚架结构相关概述

1.轻钢门式刚架结构形式

轻钢门式刚架的结构形式多样，主要有以下几种：单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的刚架等。

2.轻钢门式刚架结构典型优势

2.1 自重轻。轻钢框架结构重量比很高，墙厚较薄，因此可以使房屋的跨度达到很大，钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，使用面积较其他结构要提高很多。轻钢结构与混凝土结构相比，自重约为后者的一半 。在工程设计中可以根据实际情况达到个性化的要求 。

2.2 结构稳定性好，抗震性能突出。轻钢框架结构稳定性良好 ，钢梁、钢柱组成柔性框架，可充分发挥钢材强度高、延性好 、塑性变形能力强的特点，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲 、震动的能力得以强化，而且适合建造在各种地质条件的地基上，提高了结构的安全可靠性 。

2.3 施工速度快。一般情况下，轻钢框架结构建筑的施工由于设计标准化 、定型化，构件加工制作工业化 ，另外加上现场安装施工的过程中不受气候影响 ，简单快捷 ，时间相对钢混结构住宅缩短 工 时1/3～1/2，加快了资金周转，大大提高了投资回报速度 。

二、轻钢门式刚架设计

1.刚架的间距

刚架的架间距与刚架的跨度、屋面荷载及檩条形式等因素有关，刚架跨度较小时，选用较大的刚架间距，增加檩条的用钢量是不经济的，但是，如果对间距进行稍微的变动，不仅既经济，同时对于也不至于对结构的质量产生太大的影响。

2.刚架横梁的截面高度与其跨度之比

对格构式刚架橫梁，截面高度宜采用跨度1/l5-1/25;对实腹式刚架横梁，截面高度宜采用跨度的1/30～1/45：轻型刚架采用比值的下限。

3.柱脚的假定

按柱脚与基础的连接形式，可分为刚接和铰接两种。经计算比较，与基础刚接的刚架比铰接的刚架可节省钢材l0%—15%，并且在提高结构承载力和减小刚架侧向位移方面，比铰接刚架有利。但刚接刚架的基础造价高，对地基条件的要求也比较高，如果把柱基做得符合刚接要求，对于轻型刚架并不一定经济，所以一般采用铰接柱脚。

三、轻钢门式钢架节点的设计

1.柱脚

图1  钢架柱脚形式

刚架柱脚与基础的连接形式分理论铰接、工程铰接和刚接3种，分别示于图1。而图1所示的连接形式也难以抵抗柱脚的转动，柱脚实测应力值比计算值小，柱顶实测应力值偏大。铰接柱脚是门式刚架设计中常用的假定条件，柱脚具有部分的嵌固性，不会对刚架的受力产生不利的影响。在屋面的恒截和风载的作用下，理论铰接的柱顶位移过大，上述试验实测值为7.04cm，工程铰接可以改善这种情况。实测值为5.26cm，刚接的情况最好为2.94cm。

因墙体材料不同和柱脚连接的形式各异，对柱顶侧移的限值没有明确规定。为防止产生能够影响结构强度和稳定性的变位，将柱顶水平位移限制在1/150柱高以内比较合适。

2.角隅和屋脊节点

为保证节点连接的刚性和便于布置连接螺栓，常在角隅和屋脊处加腋。加腋高度一般为横梁截面高度为1/2，由横梁截面斜切而成。带加腋的门式刚架可以减少横梁的弯矩，从而可减小其截面的尺寸，当然也相应加大了柱子的弯矩，因为横梁的总长度通常大于柱子的长度，这样节约下来的钢材可以补偿加腋所用的费用。在屋脊处的加腋不仅有利于节点构造，而且有助于减少刚架的垂直挠度，但由于屋脊附近的弯矩变化比较平缓，故对提高刚架的承载力并不起直接作用。

3.柱顶腹板的加劲肋

柱顶腹板常设置加劲肋，以提高角隅处板域的抗剪强度，如图3所示。同时由于图2柱顶腹板加劲形式柱翼缘板的厚度一般小于横梁端板的厚度，为防止柱翼缘板在受拉螺栓的作用下产生挠曲变形，在柱翼缘受拉螺栓附近设置加劲板（图2a）。图2c采用对角线受拉加劲肋与短加劲板相结合的形式，使加劲肋在结构上更有效，并且可克服采用其他形式加劲肋可能碰到的穿螺栓的困难。

图2   柱顶腹板加劲形式

4.檐口构件

刚架之间角隅处的檐口构件，应设计得比较刚强。檐口构件包括角隅处垂直支撑、墙梁和檩条等。它对柱顶提供“定位约束”，并把纵向风力传递给支撑系统，同时为角隅处受压内翼缘提供侧向约束。

为角隅处设置的垂直支撑，将檐口构件与受压内票缘直接而可靠地连接起来，防止侧间挠曲。如果是弧形内翼缘，支撑应设置于弧的中点或靠近中点处。在直梁和直柱的情况下，应设置于它们的交点，或沿角隅处柱内翼缘垂直布置。虽然在角隅处弯矩下降比较快，在距角隅很近的距离内受压内翼缘的弯曲应力已，不太大，但还应在附近设置侧向支撑点，一般在内翼缘的转折处，或曲线加腋的弧形端点。在钢架角隅处测向支撑曲线加腋的角隅中，b2/Rt的关系应小于2，以减小曲线翼缘的法向分力向腹板集中的程度，此处b为翼缘的宽度，t为翼缘的厚度，R为益线加腋的益率半径。通常可用加强的墙梁和檀条，利用角撑为受压内翼缘提供侧面支撑。

四、结束语

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。

参考文献：

[1]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.

[2]叶飞，李其成，沈小璞.带有长悬臂雨篷超大跨度门式钢架结构的有限元分析  安徽建筑工业学院学报（自然科学版）  2011-12-15.

[3]吕辉勇.轻型门式刚架平面内稳定性能及空间性能分析.兰州理工大学  2006-05-01.

[4]李久志，王元清，石永久.实腹式索支承梁拱结构的工程应用与研究.钢结构工程研究（六）——中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会2006年学术交流会论文集.2006-08-01.

[5]徐可心，杨金澄.浅谈轻型门式钢架结构设计.吉林省土木建筑学会2011年学术年会论文集.2011-12-06.