门式刚架结构厂房结构的优化设计

宋慧斌 山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司

1 前言

门式刚架结构在厂房建设中的应用，可提高厂房建设的速度，并可保证厂房结构的稳定性和可靠性。目前，门式刚架一般采用的是新型环保材料，质量更轻，并且是工厂化生产，将刚架运输至施工现场直接进行组装，施工速度快，与传统施工建设相比，刚架组装更加的方便快捷，并且组装后的厂房兼具美观和实用性，进一步扩展了刚架结构的应用范围，除了在厂房结构设计中的应用，还可用于市场、库房，以及民用建筑等设计中。

2 门式刚架结构厂房结构设计要求

第一，门式刚架在用于厂房结构设计时，有一个非常明显的劣势，主要是其构件的强度不够，弯折性不好，进而导致整个结构的刚性不够，因此，需要在施工和运输环节多加注意，尽量避免构件变形问题的出现。

第二，门式刚架在设计阶段，要从整体布局入手，进行统一的规划和设计，对门式刚架安装过程中的各个构成要素进行有序对接，尤其是墙体与屋顶之间，以及各个面板之间的对接，其决定着整个结构的牢固程度。

第三，由于门式刚架结构是由众多的构件组成，这些构件多数使用的是轻质材料制作，在安装和运输中容易出现破损，需在这两个环节做好防护措施。

第四，门式刚架结构主体使用的是钢材料，在用于厂房结构设计时，需要考虑到防腐措施，避免刚架锈蚀，降低刚架结构的荷载能力。

第五，在设计中需慎重考虑塑性设计问题，如果刚架梁柱使用的是变截面杆件，梁柱腹板的强度，在设计中要采用使用后的屈曲强度，也就不能使用塑性设计。

第六，在设计中要考虑特殊情况下，屋面荷载问题，刚架结构的屋面使用的是轻型面板，当风力过大，这些轻型面板荷载过大，极易被损坏。

3 结构形式

门式刚架结构包括了单跨、双跨、多跨等多种类型，也可通过坡脊数进行区分，像单脊单坡、多脊多坡，屋面的坡度一般需控制在1/20～1/8。其中单脊双坡多跨刚架在厂房结构中应用较多，其支柱设计较少，可保证内部空间的最大化。在负荷标准较低，且柱高有一定要求的情况下，应以材料集中安装作为设计的标准，中柱可采用摇摆柱的设计方式，对其两端进行铰接。

在门式刚架结构中，柱脚通常采取铰接处理，如果厂房建设后，需要使用桥式吊车，那么在柱脚设计中，则需采用刚接处理，在吊车选择时，要考虑刚架结构可承受的负荷，建议使用重量小于20t的桥式吊车，或者是小于3t的悬挂吊车。

4 结构尺寸设计优化

4.1 刚架结构尺寸设计

在刚架结构柱宽度不一致的情况下，需与外侧保持一致，柱的高度要结合刚架内部的实际情况，进行适当的调整，需控制在5m～9m 之间。跨度最大为35m，最小为10m。另外，刚架间距在设计中，需要根据跨度和负荷进行设置，可选择的距离有6m、7m、9m。纵横向的温度区段不可超过300m和150m，有特殊设计要求的需依据实际情况，可进行合理的调整。

4.2 檩条和墙梁设计

檩条间距在设计中要从天窗尺寸、刚度、采光等多个方面进行慎重考虑，在业主方没有要求时，一般使用的是等间距设计，屋脊两侧、天沟位置各设一道檩条。侧墙梁在设计中，需从整体功能上出发，并且要考虑到门窗和雨搭的设计要求。

4.3 支撑与系杆设计

第一，温度区段在设计中，要保持其相对的独立性，以确保其具有稳定的空间结构。

第二，支撑开间屋盖需具有几何稳定性，应采取横向支撑。

第三，端部各个支撑的间距一般为30m～45m之间，一般设计在温度区段，厂房有吊车要求的情况下，间距可增加至60m，并且要考虑结构的纵向受力数据。第四，第二个开间设计支撑的情况下，第一个开间与之对应的位置，需要使用刚性系杆。

第五，刚架转弯位置，应采用刚性系杆巩固刚架结构，系杆的长度要根据厂房的长度进行设计。

第六，刚性系杆可以使用其他材料进行替换，以达到稳定刚架结构的目的，如果檩条刚性较好，就可进行替换，当檩条不符合的情况下，可采用H型钢替代，进而提高整个结构的负荷能力和稳定性。

第七，如果厂房需要使用大于5t的吊车，必须要使用型钢做支撑，如若业主要求不用柱间支撑，可应用纵向刚架做支撑。

5 门式刚架设计优化

5.1 荷载与其组合

5.1.1 荷载类型

荷载可分为永久荷载和可变荷载，永久荷载是指不发生变化的荷载，也就是刚架以及刚架上各种材料、各种构件的重量总和，像屋面重量、梁柱、支撑、刚架本身的重量等。可变荷载，也就是指随时变化的荷载，比对，刚架结构上的灰尘，屋面受到大风、下雨、下雪的影响，以及厂房中使用了吊车等，这些都会导致荷载发生一定的变化。

5.1.2 荷载组合

遵循GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》的要求，对荷载组合进行设计。

第一，在计算屋面受到的荷载力时，要使用最大荷载值，不可使用均匀荷载，由于积灰荷载值过小，设计中无需考虑。

第二，在施工、维修荷载设计时，不用纳入刚架自身的荷载。

第三，如果厂房在建设后，需要使用多台吊车，应完全遵循规范的要求进行设计。

第四，其他荷载，像地震、风力、雪雨等，这些都会对屋面有一定的荷载作用，需要分别考虑。

5.2 梁柱设计

第一，检测梁柱承受力的最大值，并明确其厚宽比例；第二，支撑体系，梁腹板需要安装在支柱中间，应准确计算出梁腹板两侧的横向受力；第三，要确定梁柱安装后，在整个结构中的稳定程度；第四，变截面柱具有支撑的作用，需对其支撑的可靠性进行检测。

5.3 附属结构

5.3.1 压型钢板

第一，在选择钢板时，首先需要结合厂房的实际功能、使用年限要求，以及建设后的用途等，进行压型钢板的选择，以保证厂房在使用年限内，无任何问题。

第二，截面的选择，其有高、中、低三种波板，其中高波板的刚度最大，负荷能力也是最好的。

第三，强度与扰度，在实际的计算中，需使用单槽口的有效截面，依据受弯构件进行计算。

第四，需要考虑到业主对设计的特殊要求，进行钢板型号的选择。

5.3.2 檩条

第一，檩条截面可分为实腹式、格构式两种，当刚架跨度对檩条的要求在8m以内时，建议选择实腹式；第二，设计人员如果应用的是双向受弯结构，在檩条受力分析中，要使用檩条上的两个轴心进行计算，确定其截面的弯矩受力；第三，在檩条安装之前对其进行严格的质量检测，主要包括了刚度、稳定性、形变等，以保证檩条质量符合厂房结构组装的要求。

5.3.3 墙梁

墙梁的设计较为灵活，依据柱距进行确定，可使用一个简支梁，也可使用连续梁。由于墙梁双向受弯，会受到风力、自身重量，以及承载构件等的影响，材料建议使用z 形钢。以及墙面边界的位置，必须要安装一道墙梁。针对墙梁的挠度与荷载问题应设计拉条，以减少两个作用力对墙梁的影响，通常设计在墙梁上，或者是最上层墙梁位置，设计一道斜拉条，将两个作用力传递给刚架柱。

5.3.4 支撑

刚架结构的柱间一般使用的是安拉杆设计，以作为柱间的支撑。斜梁水平支撑力计算需要考虑到两个参数，一个是横向风力，另一个是水平桁架，并且要注意斜梁负荷的考量，以确定准确的水平支撑力。柱间支撑力计算时，需要考虑纵向风力和悬臂桁架，并要减去压杆交叉支撑的承受力。

6 柱间距的优化设计

柱布置是刚架结构设计中的难点和重点，需依据厂房的设计要求，科学合理的布置柱间距平面图。在以往的设计中，一般将柱间距设置在6m左右，并可依据业主对厂房设计的实际要求，将柱距增加至9m，或者是其他间距，使用的是设定值的设计方式，遵循普通厂房的结构设计内容。但是这种设计方式，已经不适用现阶段门式刚架结构的设计需求，由于柱间距设计与厂房建设成本有着直接的关系，应从控制费用的角度出发，进行柱间距的优化设计。

第一，刚架成本，刚架的质量和用量决定着成本，呈现的是正比关系，在保证刚架质量的基础上，用钢量是成本控制的关键性指标，柱间距也是柱密度的体现，密度越大，则用钢量也就越多。

第二，在刚架结构设计中应用节能、环保型等高科技面板材料，替代原先的钢筋混凝土面板，是对原有刚架结构的升级和改进，轻型刚架结构材料的应用，可直接减少柱的数量，柱间距增加，成本直接被降低。

第三，柱间距的用钢成本，还与钢的市场价格、产品规格、制造技术等有关，如果使用标准化钢材，那么需要较大的成本费用。因此，在柱间距设计中，要抓好柱间距的各项参数，计算出不同柱间距模式的成本，以成本最小化为原则，在保证刚架结构质量的基础上，设计出理想的柱间距布置方案。

7 结束语

基于以上的论述，在门式刚架设计优化中，需要注意结构优化设计要从整体性上出发，每个构件都会影响到整个刚架的稳定性，综合考虑刚架结构纵向和横向上的受力，合理设计刚架结构的尺寸、形式、附属结构等，精确计算各个构件的荷载力，并妥善的进行细节处理，构建一个稳定、可靠的空间结构，进而打造出一个高质量的厂房工程。