门式刚架结构厂房设计与分析

任峰

摘要：随着我国经济的飞速发展，钢结构厂房越来越多的应用在工业建筑中，尤其是一些重型厂房的建设，受到混凝土结构性能的限制，更多地采用钢结构，钢结构与混凝土结构相比，具有质量轻，刚度大，抗震性能好，建造速度快，工厂化程度高，环境影响小等优点，钢管混凝土柱更是充分发挥了钢材受拉混凝土受压的优势，大大提高了刚架的承载能力和侧向刚度，使结构具有良好的经济效益。

关键词：门式；刚架；钢结构；厂房；设计；分析

1 门式刚架结构的特点

门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，经历了近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系。作为传统的结构体系之一，门式刚架结构主要包括刚架梁、刚架柱、支撑、屋盖体系和山墙骨架等。门式刚架结构受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、施工技术成熟、施工周期短。因此广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。

门式刚架结构已成为当今轻型化建筑结构的主要形式。它能够有效地利用材料，其构件尺寸小，重量轻，可以在工厂进行批量生产，能够保证质量，在工地安装连接方便快捷，柱网尺寸布置自由灵活、能满足不同气候环境条件下的施工和使用要求。其优越性和经济效益是不言而喻的。在钢结构厂房中，带吊车门式刚架结构厂房具有上述特点，广泛应用于工业厂房中。

2 门式刚架结构的设计

2.1 柱间支撑的设计

支撑系统对刚架结构具有十分重要的作用，支撑的布置、截面形式既要满足结构稳定性的要求，也要满足工艺生产流程的要求。

柱间支撑的布置应遵循《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定，柱间支撑形式宜采用交叉式，也可以根据具体条件采用人字形。如工艺要求考虑柱间交通或设备布置以及柱距较大时，可采用门架式支撑。

交叉式支撑的斜杆与水平面的交角宜取35～55度，且不宜大于55度。

柱间支撑承受水平力作用，包括风荷载、吊车纵向水平荷载、作用在厂房结构上的其他水平荷载以及抗震设计时厂房地震作用。各种水平荷载均按集中力作用在支撑节点上考虑。

（4）当厂房结构单元的纵向长度大于规定的伸缩缝最大间距的规定时，尚应考虑季节温度变化引起的温度作用。

柱间支撑的连接应满足以下规定：

支撑杆件之间相交连接点以及支撑与柱的连接点应设置节点板，节点板的厚度根据计算确定，但不可小于10mm。

（2）支撑杆与交叉点节点板的连接应采用焊接，与端部节点板的连接宜采用焊接，也可以采用高强螺栓连接。

（3）柱间支撑节点连接焊缝及柱内预埋件的承载力应大于支撑杆件的承载力，一般情况下，节点连接焊缝及柱内预埋件计算的作用力设计值取支撑杆件全截面抗拉强度设计值。对于单角钢交叉式支撑杆，其端部的连接计算应计入强度折减，强度折减系数系按国家现行标准《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定采用。

（4）交叉式支撑杆有一根在交叉点中断时，交叉节点板应予加强，其承载力不小于支撑杆件承载力的1.1倍。

（5）支撑杆件的截面应力比不宜大于0.75。

（6）柱间支撑节点板与钢筋混凝土柱预埋件的连接以及与钢柱的连接应采用焊接。

（7）柱间支撑与构件连接不应小于支撑杆件塑性承载力的1.2倍。

2.2 屋盖支撑的设计

（1）屋盖上下弦水平横向支撑承受风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震作用。传递给纵向柱列。同一厂房结构单元由屋盖承受的水平荷载和地震作用，由该结构单元所有的横向水平支撑共同承受。

（2）横向水平支撑可采用交叉腹杆桁架形式。

（3）横向水平支撑在水平荷载和地震作用下，杆件内力按水平桁架进行计算，每个节点的交叉斜腹杆按一根受拉，另外一根为零杆考虑。

支撑杆件和连接构造应满足下列要求：

支撑和系杆杆件宜采用型钢。压杆宜采用双角钢组成的十字形或T形截面；拉杆可采用单角钢。

（2）支撑杆件之间以及支撑（系杆）与屋架应采用节点板連接，节点板的厚度一般采用6～8mm。支撑（系杆）与屋架采用螺栓连接时，每个节点不应少于两个螺栓，直径不小于16mm。

3 钢结构厂房的设计过程中需要注意的问题

1）钢结构厂房的结构布局在满足工艺要求的前提下，应着重结构的空间整体性和各种水平荷载的传递路线的连续性。屋盖支撑，柱间支撑及围护结构的布置必须合理，以保障厂房的纵横向稳定和刚度，满足强度和变形的要求。

2）对于钢结构厂房，要严格控制节点位移，尤其要保证柱顶及吊车梁顶面处的位移量。相对而言，在保证吊车设备正常运行的前提下，钢梁的挠度可适当放宽，有时为达到节约钢材量的目的，可通过预先起拱等施工技术达到设计要求。

3）在刚架的整体计算时，应考虑吊车桥架引起的地震作用对结构的影响。

4）支撑杆件除抵抗风荷载，吊车荷载及与支撑平面平行的各种荷载外，还应满足稳定性及长细比等的要求，同时还必须具有一定的抗侧倾刚度。

5）目前对于钢结构的设计方法是以概率论为基础的极限状态设计法。但此种方法在设计中存在一定的缺陷。

（1）结构内力计算模式与构件承载力计算模式不一致；（2）结构整体失稳的计算模式与实际失稳状态不一致；（3）不同结构整体承载力极限状态可靠度水平不一致；（4）现行设计方法不能准确预测结构体系的破坏模式和极限承载力。因此在设计过程中，构件的尺寸不能仅仅满足计算的要求，更应该符合构造的要求，概念设计更重要。

总而言之，随着生产力的不断发展，钢结构厂房的设计要求也会越来越高，规模越来越大。因此在现有理论和经验的基础上，还应继续不断完善和创新。

参考文献

[1]彭英.门式刚架轻型钢结构厂房设计相关问题探讨[J].中华民居，2011，S1：14-16.

[2]王锋.门式刚架钢结构厂房的施工质量控制[J].科技展望，2015，22：147.

[3]魏洁.门式刚架轻型钢结构厂房加固改造在工程中的应用[J].四川建筑，2012，05：149-150.

[4]张建红.关于钢结构工业厂房设计的几点思考[J].城市建筑，2012，17：55+59.