门式刚架钢结构设计要点

吕鹏飞

中国石油吉林石化矿区服务事业部

门式刚架轻型房屋钢结构属轻型钢结构的一个分支，发展至今无论设计制作、施工标准都有完善的体系及标准可查。门式刚架建造的建筑物具有质量轻、建造周期短、外形美观、标准化程度高以及综合成本低等优点。近年来，随着经济建设的需求，大量门式刚架轻型钢结构厂房应用到工程建设中[1]。

1 应用范围及技术特征

1.1 应用范围

节能环保型材料被广泛用于门式刚架轻型房屋钢结构建设中以达到节能环保目的。基于此结构建造的房屋具有众多优点，可适应不同的气候，市场应用前景广泛，如工程建设中的临时工人宿舍、居民区附近的大型便民市场、临时搭建用于展示商品的展馆、造车厂的大型库房或周转车间、各种工业厂房以及农村的民居等。

1.2 技术特点

门式刚架与一般普通钢结构相比具有以下几方面明显优势：横截面小，占用空间小，有效增大空间利用率；方便结构布置，适用各种建筑造型；刚度好，在相同密度下可实现高强度；工厂化预制，快速组装，缩短施工周期；建设成本低，用钢量为普通钢结构的1/5。

2 结构设计

2.1 国标图集及标准规范

国家标准图GB 51022《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》为钢结构单层房屋的设计、制作和安装提供指导。风荷载按照GB 50009《建筑结构荷载规范》附录中的风压表并参照风压图，查取当地50 年一遇基本风压。由于对雪载荷较敏感，需要遵循GB51022 附录中的要求进行设计[2]，同时从GB50009 附录中查取当地100 年内基本雪压情况[3]。檩条按GB 50018《冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行计算和校核[4]。设计时要根据抗震等级（1～3 级）和GB50010 来计算以下三个指标：①钢筋抗拉强度与屈服强度比值要求；②屈服强度实测值与屈服强度标准值比值要求；③伸长率要求[5]，应参照16G101-1/58国家标准图，以确定受拉钢筋的锚固长度[6]。甲、乙类厂房的墙面、屋面及外门窗泄爆构造可按14J938国家标准图集设计[7]。防火设计应满足GB 50016[8]和建标-152[9]要求。工业厂房的节能设计须按照GB 51245[10]来确定建筑类别。由GB 50176[11]中查得建设地区所属的气候分区，依据屋面、外墙、外门窗、屋顶透光部等具体情况及尺寸进行体形系数计算。建筑经热工计算各围护结构热工性能后须满足GB 51245 相关要求。按GB50153[12]确定厂房结构安全等级，按照GB/T 50046来确定钢结构保护层厚度[13]。

2.2 结构方案确定

从所受力的传输路径角度分析，门式刚架钢结构具有空间化特点，这与传统的钢结构在组成方式上具有很大区别，门式刚架钢结构内部的钢架、钢板等相互连接和依托，形成了有力的空间支撑。

从钢架型式角度可将门式刚架承重结构分为两种：一种是无内柱单跨结构，其跨度范围为0～48 m；另一种是有内柱多跨连续结构，其跨度范围为0～30 m。除上述两种比较常用结构外，还可以从单坡多坡、多跨等高或者不等高等几个角度分为其他不同的型式。

钢筋混凝土独立式基础是目前采用的最广泛、最可靠的基础型式。在实际设计时，要从成本、收益等经济角度和侧向受力变形位移等可靠性角度进行多方案比选，合理地确定钢架承重结构方案[14]。

2.3 材料选择

钢结构构件所采用的钢材应满足荷载特征、结构承重、环境温度等诸多因素的要求，同时须考虑钢材性能和质量来进行综合经济对比分析。钢材宜选用Q235B～Q235D 及Q355B～Q355E；结构设计强度控制时，可选用强度高的钢材；挠度控制时，可选用Q235 钢材；存在疲劳破坏时，高强度钢效果不佳；结构稳定控制时，低强度钢更经济。

3 工程实例

以西部地区某天然气压缩机罩棚为例，对此类结构的设计过程进行分析。

3.1 建筑概述

罩棚跨度24 m，柱距6 m，共7 跨，长42 m，高度14 m，牛腿标高10.8 m。罩棚采用单层彩钢板双坡屋面，四面开敞无围护墙及门窗。屋面设有排水，设檐沟及雨水管，兼有防冰溜掉落伤人的作用。罩棚的结构安全等级设计采用二级。

3.2 上部结构参数设计

（1）高宽比。罩棚高度14m，宽度24 m，高宽比小于1，满足GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》第1.0.2条要求，适用此规范。

（2）风荷载与雪荷载。按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》查取当地基本风压，参照规范附录中的风压图，采用50 年一遇基本风压w0=0.55 kPa。从GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》查取当地100年重现期基本雪压s0=0.20 kPa。

（3）钢材选用。建设地区为寒冷地区，室外环境绝对最低气温大于-20 ℃，采用Q235B或Q355B钢材。

（4）屋面板。屋面采用0.8 mm 厚单层彩钢板，可满足耐久性要求和屋面防雷构件的需要，彩钢板展平荷载0.8×78.5×10-3=0.063(kPa)。

3.3 门式刚架钢结构梁柱设计

3.3.1 门刚梁柱截面初选

本项目的建筑中牛腿及柱顶高度较高，不能按19G518-3 《门式刚架轻型房屋钢结构（有吊车）》选型。牛腿以上截面参考19G518-3 中的GJL24-2 截面，对应24 m 跨6 m 柱距5 t 单梁式吊车；牛腿以下截面（下柱）参照19G518-3 中柱顶较高、跨度较大的门刚结构，待结构计算复核最后确定。

3.3.2 门式刚架主刚架风压计算

参照GB 51022—2015中的4.2节：

式中：系数β=1.1；μw为风荷载系数，开敞双坡各区可取μw=-0.75、0.75、-0.5；μz为风压高度变化系数；按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》）8.2.1，粗糙度B类，13 m高度取1.1。

屋面梁风吸力线荷，0.33 kPa×6 m=2.0 kN/m，墙面按2 m宽（6 m柱距无墙通透折减），0.5 kPa×2 m=1.0 kN/m加在柱上。

3.4 支撑系统设计

屋面水平支撑、系杆按19G518-3《门式刚架轻型房屋钢结构（有吊车）》布置；上柱支撑按19G518-3 中相关构造布置；下柱高宽比接近于2，采用双层交叉支撑受力较好，因19G518-3 中无合适的下柱支撑可选用，因此为下柱支撑（双层交叉支撑），采用TSSD探索者软件进行辅助设计，其中构件尺寸参考19G518-3中下柱柱间支撑杆件尺寸。

3.5 屋面檩条系统设计

3.5.1 檩条

檩条按GB 50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行计算和校核。按GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》进行风荷载计算。

根据GB 51022-2015/19页第4.2.1条可知：

式中：系数β取1.5；μw为风荷载系数，按GB 51022—2015 表4.2.2-4a 取值：吸力时-1.65，压力时0.85；GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》表8.3.1中四面开敞双坡坡度10°以下的体型系数为-1.3，偏小；μz为风压高度变化系数，按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》8.2.1，粗糙度B 类下，15 m高度取1.13。

3.5.2 拉条

为克服风吸力，本次设计屋面拉条T改为双拉条2T。

3.5.3 屋面檩条系统选用

按国家标准图11G521-1《钢檩条》，选用及布置檩条系统，檩条采用LC6-18.3，7.9 kg/m。拉条T和斜拉条XT（Φ12），0.89 kg/m。撑杆CG，D32×2（1.47 kg/m）+Φ12。檩距1.5 m，6 m 跨，约9 m2区块内：LC6长6 m，T长1.5 m，合计48.7 kg，折算面荷0.05 kPa。檩条系统折算恒荷载取0.1 kPa。按照11G521-1《钢檩条》对分别位于左侧和右侧的斜接条进行编号。按照11G521-1/21中的1-1 条，屋顶双脊檩间距范围为200m～500 mm。按照19G518-3/57和11G521-1/58，屋面隅撑YC不小于L50×5。

4 结论

门式刚架建造的建筑物标准化程度较高，每一个设计步骤都可遵循相关国家标准和国家标准图集。总结设计要点如下：

（1）从上部结构的参数设计入手。主要设计参数有高宽比、风荷载与雪荷载、钢材选用和屋面板。

（2）确定门式刚架钢结构梁柱。门刚梁柱截面进行初步选择并须计算出门式刚架风压。

（3）设计支撑系统须同时考虑屋面水平支撑、系杆和柱间支撑。

（4）确定整个屋面檩条系统。利用GB 51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》中的风荷载公式计算檩条的风荷载，并依据风吸力大小判断拉条形式，按国家标准图11G521-1《钢檩条》选用及布置屋面檩条。

通过以上四个要点以及现有完善的体系和标准，可初步完成门式刚架轻型钢结构的工程设计。