浅谈门式刚架结构设计几点体会

方海龙

【摘 要】门式刚架是目前轻型房屋钢结构中应用最广泛的一种钢结构形式。本文就门式刚架结构设计中常见的问题进行阐述，并对重点的设计要点进行归纳总结，以供同行借鉴。

【关键词】门式刚架结构；设计要点

On the portal frame structure design Experience

Fang Hai-long

（Hebei Jin Ning Du Project Management Ltd Handan Hebei 056003）

【Abstract】Door frame is lightweight steel structure housing the most widely used form of a steel structure. In this paper， the design of portal frame structure to elaborate a common problem， and focus on the design features to summarize for peer learning.

【Key words】Portal frame structure；Design elements

1. 引言

门式钢架轻型房屋钢结构设计一般采用以概率理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。下面简要探讨一下门式刚架结构设计中的几个问题。

2. 门式刚架结构设计中常见的问题

2.1 屋面活荷载取值的问题。框架荷载取0.3KN/m2：已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5 KN/m2。《钢结构设计规范》规定不上人屋面的活荷载为0.5 KN/m2，但构件的荷载面积大于6Om2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3KN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15～0.5KN/m2 的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5KN/m2。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。

2.2 屋脊垂度要控制。框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。本人有此想法，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。

2.3 钢柱换砼柱。少数设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。

2.4 檩条计算不安全。主要是檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大。在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规范》（GB50018-2002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8和4.1.9条规定“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的，如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。

3. 门式刚架结构设计中几个要点

3.1 柱网布置的确定。轻钢厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度确定合理的跨度。通过已往多个工程的设计实践，在门式钢架设计过程中对柱网安排得出：

（1）通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的钢架单位用钢量（Q235B）为l8～28Kg/m ，当跨度在2l～48m之间的钢架单位用钢量为25～40Kg/m，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨钢架（中闻设置摇摆柱），其用钢量较单跨钢架节约l8%左右，因此设计门式钢架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。对门式钢架轻型钢结构而言，钢架用钢量是最主要的，當钢架跨度较小时，钢架用钢量甚至占总用钢量的50%以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量所占比例较小，因此，在设计门式钢架时应精确设计，合理使用。endprint

（2）随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了钢架的用钢量。其次是檩条，由于长细比的要求，用钢量增加也较快。综合各项用钢量，设计时可以做出多种方案进行比较，最终选择最佳方案。

3.2 门式钢架荷载取值。门式钢架房屋上作用的荷载一般有：竖向荷载（结构自重、雪荷载、积灰荷载等）和水平荷载（风荷载、吊车刹车力），还有地震荷载（水平和竖向）。由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。

3.3 钢架内力和侧移计算方法。

（1）内力计算方法对于变截面门式钢架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当钢架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法 变截面门式钢架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底柱顶，柱牛腿连接处及梁端、粱跨中等截面。

（2）侧移计算方法变截面门式钢架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数 如果最后验算时钢架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。

3.4 檩条、拉条和撑杆设计。

3.4.1 檩条设计。

（1）檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形 主轴方向计算弯矩。设计时，应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。

（2）檩条设计时，要考虑檩应为冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱。同时强度计算要用净断面，要考虑钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。钢架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8和4.1.9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算 。”（3）檩条设计时，应考虑檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是钢架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少钢架平面外的计算长度，有效的保证了钢架的平面外整体稳定性。

3.4.2 檩条的拉条和撑杆设计。

（1）拉条的设置：檩条的拉条设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。对于侧向刚度较差的实腹时和平面桁架式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条，当屋面坡度i>1/10，檩条跨度>4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉条，当跨度>6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑杆。拉条的直径为8～12ram，根据荷载和檩距大小选用。

（2）撑杆的设置：檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。撑竿的长细比按压杆要求要≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。目前也有采用钢管内设拉条的做法。撑竿处应同时设置斜拉条。

3.5 屋面支撑与柱间支撑的大小确定。

（1）屋面支撑。屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

（2）柱间支撑。对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算 交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。

3.6 隅撑的作用与设计。

隅撑之所以要设，是因为钢架斜梁受力的变化。在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距，上翼缘的稳定可以保证 但在受到风吸力荷载作用时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑。因此，在梁的下翼缘上应加设隅撑给钢粱的下翼缘提供支撑。隅撑一边与梁的下翼缘连接，一边与檩条连接。

4. 结语

在轻型门式钢架结构设计过程中，通过对设计要点和重点的把握及合理配置，可以有效地起到方便制作、安装，节约钢材用量的作用轻型门式钢架结构具有造价低、重量轻，安装方便.施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。

参考文献

[1] 李志通.门式刚架设计中风荷载体型系数的研究[J].钢结構，2008（2）.

[2] 李翔，刘晓辉.门式刚架轻型房屋钢结构设计优化探讨[J].四川理工学院学报 （自然科学版），2009，22（5）.endprint