门式刚架围护结构设计注意事项

李鹏锐

摘要：门式刚架因其经济优、建造快、性能好等特点，是目前工业厂房的主要结构形式，厂房围护结构是其重要组成部分，本文通过对围护结构设计中荷载选用、拉条布置、设计重要参数等探讨，总结和梳理了在设计过程中容易混淆和遗漏的问题，供钢结构设计人员参考，防止设计中的安全隐患或用材浪费。

Abstract： Due to the characteristics of excellent economy， fast construction and good performance， the portal frame is the main structural form of the industrial plant at present. The enclosure structure of the plant is an important part of it. This article summarizes and sorts out the problems that are easily confused and omitted in the design process by discussing the load selection， brace layout， and important design parameters in the design of the envelope structure for the reference of steel structure designers， to prevent hidden safety hazards or waste of materials in the design.

关键词：门式刚架;围护结构;檩条;拉条

Key words： portal frame;enclosure structure;purlin;brace

中图分类号：TU328                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）19-0135-02

0  引言

门式刚架轻型房屋（简称门式刚架）围护结构通常由压型钢板制成的檩条、外墙板和屋面板等所组成，檩条通常采用简支C、Z形卷边冷弯薄壁型钢材，用钢量少，对荷载非常敏感。如果在设计中不清楚檩条的受力特点和构造规定，过度依赖软件进行设计，对一些基本假设概念模糊，荷载统计及荷载组合不准确，容易导致设计存在一定安全隐患或钢材用量过大。

1  荷载

檩条承受的荷载有：恒载，活荷载，雪荷载，积灰荷载，风荷载等。其中恒载通常不超过0.3kN/m2，活载为0.5kN/m2，积灰荷载按实际情况计算，施工荷载为1kN且作用于檩条中部。檩条设计中风荷载与雪荷载多为控制荷载，需着重注意。风、雪荷载经常是控制荷载，极端情况下容易造成结构整体破坏，后果特别严重，所以应对风、雪荷载适当提高。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）中规定房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1，可按照门式刚架规定的风荷载取值，超过门式刚架规定范围则需按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009取值。同时《门刚规范》条文说明中明确了“房屋高度超过18m的类似建筑，构件的强度和稳定性可参照本规范”，所以在进行门式刚架设计时，除去风荷载取值，其他要求仍然可以按照《门刚规范》来考虑和控制。

《门刚规范》要求围护结构计算时风荷载应乘以1.5系数，与之前的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102-98）区别较大，由于轻钢结构为风荷载敏感结构，将基本风压适当提高，而且荷载规范中的阵风系数相对应。

由于轻钢结构雪荷载敏感，雪荷载计算时应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009规定的100年重现期的雪压取值，而檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用，最不利情况下，雪荷载通常大于活荷载，而雪荷载与活荷载互斥，荷载组合时可直接取雪荷载。女儿墙及高低跨处容易造成雪堆积，局部堆积雪荷载可能是均布载的3倍以上，设计中如若忽视会造成安全隐患，积雪处檩条可能会失稳破坏甚至牵连主結构造成房屋整体破坏。（图1）

通过实际计算比较，由于门式刚架轻型房屋自重很轻（通常40～60kg/m2），地震影响很小，一般情况下均可忽略。

一般情况下檩条强度及稳定验算采用下面两种工况组合：①（1.3×永久荷载+1.5×max{屋面均布活荷载，雪荷载}+1.5×0.6风载（压力）;②1.0×永久荷载+1.5×风荷载（吸力）。檩条设计一般由强度或稳定控制，挠度要求一般均可满足。

因屋面、墙面边缘带风荷载、雪荷载系数局部偏大，为提高屋面承载力及稳定性能，可相对减小屋面、墙面边缘带的檩条布置间距，尽量减少屋面板、墙面板的接缝，不宜采用暗扣式的连接，而应采用自攻螺钉以保证檩条整体及侧向稳定性。这样可以加强屋面板和屋面檩条、墙面板和墙面檩条的连接强度，从而增加结构的整体刚度，提高围护结构整体稳定性能。由于屋面角区边区和中间区风荷载系数不同，角区风荷载系数较大，结构计算时应分区计算。

围护结构材质选用时，稳定控制时选用235钢，应力控制时选用355钢，一般拉条选235钢。

2  拉条布置

门式刚架通常采用冷弯薄壁C、Z型钢作为檩条，此类檩条重心较高、弱轴抗弯能力较差，为了减少檩条在安装及使用过程中的侧向变形及扭转，保证檩条整体稳定，一般设置拉条、斜拉条以及撑杆体系确保整个结构体系稳定性，撑杆必须与斜拉条同时设置，才能形成一个几何不变的传力体系。如果没有合理设置拉条、斜拉条以及撑杆体系，或者拉条施工中没有拉紧，这会使门式刚架的侧向刚度、稳定性与承载力无法得到保障，存在一定工程隐患。

设置拉条是保证檩条稳定的重要措施，当围护板不能有效约束擦条的侧向位移和扭转时，应设詈拉条为檩条提供侧向支撑，以提高檩条的稳定性。重力荷载和风揭力荷载为两个相反方向的作用，檩条的上下翼缘都可能会受压存在失稳可能，所以屋面位置一般需要考虑设置上、下两层拉条体系。如果屋面板由自攻钉穿透直接固定于檩条，此时屋面板直接约束檩条的侧移，可以替代上层拉条体系，理论上可不设置上层拉条。但在施工安装屋面板时，尚无蒙皮效应，檩条容易发生倾覆，故仍需设置上层拉条。如果在檩条下翼缘连接有内衬板，并采用自攻钉直接固定方式，内衬板足以约束下冀缘的侧移，此时可不必设置下层拉条体系，但这种情况工程较少见。尤其雪荷载较大时檩条上下翼缘更是应设置双拉条以保证整体稳定性。屋面檩条是门式刚架稳定性第一道防线且受荷敏感，笔者建议屋面处檩条上下翼缘均设置拉条。

工程中也可用冷弯卷边形在端部切除部分冀缘，再弯折腹板作为刚性系杆。施工时用螺栓或自攻钉连接在相邻檩条的腹板上构成稳定结构休系，替代双层拉条功能，使相邻檩条相互约束不发生扭转。但这种做法对加工及安装精度有一定要求。

轻型钢结构墙面板一般自承重，墙檩只承受自身重量和风荷载，只有门窗以上局部区域的墙面板自重荷载由墙檩承受，所以窗顶处檩条一般设置为双扣檩条。因窗户玻璃较重，一般可在窗户底设斜拉条及撑杆，局部组成桁架体系将荷载传至相邻刚架柱。墙面板用自攻螺钉与檩条牢固连接，认为墙面板能有效约束檩条外翼缘，阻止檩条侧向失稳和扭转，可不对檩条进行整体稳定计算。墙檩承受的荷载与其布置有关。墙面板自承重且可约束墙檩外翼缘，所以墙檩外翼缘可不设置拉条;在风吸力作用下，墙檩外翼缘受压易失稳且一般无内墙板约束，拉条可仅设置于檩条内侧1/3檩高。

如果屋面板采用压型钢板，且采用自攻螺钉与檩条牢固连接，则认为屋面板能有效约束檩条受压翼缘，阻止檩条侧向失稳和扭转，可不对檩条进行整体稳定计算。如果屋面板采用锁扣型式与檩条连接，则屋面板不能约束檩条翼缘，要对檩条进行整体稳定计算。设计时截面尺寸计算所采用的限定条件应与屋面板施工工艺相一致。

3  设计重要参数

屋面板能否阻止檩条侧向失稳：屋面板压型钢板采用自攻螺钉与檩条牢固连接，可认为屋面板能否阻止檩条侧向失稳，此种方法较常用，如若施工时采用直立缝锁边连接或扣合式连接，而施工图纸中未有特别注明必须采用自攻螺钉连接，此时屋面板不能阻止檩条侧向失稳，檩条上翼缘受压会失稳，工程将会存在重大安全隐患。

构造保证下翼缘吸力作用稳定性：只有屋面采用双层压型钢板，且下层钢板采用自攻螺钉与檩条牢固连接时才能满足此项构造要求。下翼缘设置的拉条，仅3m左右才一道，难以与满铺的钢板刚度要求相当，下翼缘设置的拉条无法达到此项构造要求。所以，构造保证下翼缘吸力作用稳定性此参数要慎选。

墙面参数选用可参照屋面上述两项参数的论述。

因檩条安装需打孔，净截面减少，在强度计算时应取净截面系数0.9～0.95，此系数软件默认为1，需在设计中稍加注意。

4  结语

本文从轻型门式刚架的荷载选用、拉条布置和设计重要参数三方面总结和梳理了设计过程中需要注意的各种问题，对容易造成结构安全隐患的问题给出了合理的建议，可供工程设计人员参考。

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