门式刚架结构工业厂房结构设计探讨

岳军

（中机第一设计研究院有限公司， 安徽 合肥 230000）

门式刚架结构是一种轻钢结构， 具有轻量化、高强度、 工业化、 缩短工期等优点， 在工业厂房、仓库、 大型体育场、 展厅等建筑中得到了广泛的应用。 在实际工程中， 门式刚架结构的使用虽然具有很大的优越性， 但是一旦结构设计不当， 将会对工程的质量和使用寿命造成直接的影响， 甚至造成安全事故。

1 门式刚架结构概述

门式刚架结构广泛地用于工业厂房、 仓库和商场， 而在工业厂房中， 刚架结构的重要性日益突出，各种维护结构和支撑结构也形式多样； 薄壁冷弯型钢常用于墙架及屋面， 支撑结构构件有角钢或槽钢，支撑形式有门撑或交叉型。 刚架结构通常是由梁和柱组成的直线型钢结构， 每榀刚架用支撑及刚性系杆连接， 形成一个整体， 在实际工程中， 通常把这种结构称为门式刚架结构， 无吊车时柱脚形式可铰接也可刚接， 有吊车时且吨位较大时柱脚用刚接[1]。钢结构的单层钢架厂房， 特点是重量轻、 抗震性能好、 施工速度快。

2 门式刚架结构工业厂房应用必要性

与钢筋混凝土相比， 钢材以其高强度、 质量轻、高机械性能等特点， 在不同的建筑结构中得到了广泛的应用， 从而使其具有较低的自重和较好的抗震性能。 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》 明确，在地震强度为6 度及以下时， 通常不需进行抗震验算[2]。 轻钢结构具有安装方便、 快捷的特点， 无论从人员数量、 施工工艺、 施工时间等方面都要优于传统的钢筋混凝土结构。 另外， 在工厂使用轻钢结构时， 其成本较低是主要特点之一。 而且， 在装配之前， 可以按照设计的要求， 提前制造出钢件， 从而大大缩短了工程的工期。 工程造价进一步降低。刚架结构是一种可重复利用的材料， 能够按照工业生产现场的实际需要进行拆卸和组合， 从而使其在工程应用中具有更好的环境保护作用。

3 门式钢架结构平面布置

3.1 温度区段长度

在门式刚架结构的厂房结构中， 屋面和外墙一般选用压型钢板。 因此， 在设计温度段的长度时，要适当地放宽距离。 一般在钢结构门式刚架厂房的设计中， 其纵向伸缩缝的间距不能超过300m， 而在水平方向上的伸缩缝间距不能超过150m[3]。 在进行伸缩缝布置时， 可选用长圆孔作为搭接檩条的连接部位。 在此位置的屋面板结构应该可以胀缩， 也可以安装两个立柱， 在立柱与吊车梁的连接处， 根据纵向采用长圆孔。

3.2 结构构件布置

在多跨刚架内， 由于工艺布置， 设备较多且大，部分边柱和中间柱需要抽调， 这时可以进行托架、托梁的布置。 在进行屋面檩条布置时， 必须充分考虑天窗、 采光带、 屋脊和屋面的材质、 檩条本身的各种性能指标及自重。 由于自重不同， 载荷相应的也不同， 由此檩条间距、 屋面梁截面都会受到影响，必须对其进行相应的计算， 保证其精度[4]。 同时，选用最经济最合理的厂房柱距可以有效地控制厂房用钢量， 节约成本。

3.3 墙架布置

在门式刚架轻钢结构中， 采用压型钢板作为侧墙的围护。 在刚架立柱外侧进行墙梁的布置， 应根据墙板的板型和规格及在考虑当地风荷载的情况下确定墙梁的间距， 墙梁截面形式一般采用薄壁冷弯C型钢材， 当墙梁在风荷载作用下受荷面积较大时也可采用薄壁方钢， 墙梁的布置除考虑上述问题时也需考虑整个厂房外立面的布局， 如门窗位置大小及是否有特殊的造型等。

3.4 支撑布置

在门式刚架轻钢结构中， 为了保证整体的稳定，可以采用多支撑结构。 横向水平支撑一般布置在横梁的顶部， 一般称之为柱顶系杆， 截面形式可以采用角钢及圆钢， 并且在刚架柱之间的位置上提供柱间的支撑。 各分段施工渠道均需设置支撑系统， 以保证各独立空间结构的稳定。 同时， 根据建筑的纵向柱距、 安装条件、 受力条件等因素， 计算出柱间支撑的间距。 如果温度区间太大， 那么应该把间隔设定为三分点， 间隔不超过45m。 当厂房的高度很大时， 可以在设置柱间支撑时进行分层。 在进行柱间支撑开间布置时， 必须同时布置屋盖的侧向支撑，以形成不变的几何体系。 一般设置第一道柱间支撑时可以设置在第一或第二开间。 当工程本地抗震设防烈度在8 度及以上时。 下柱支撑应设置基础压梁。

3.5 檩条设计

设计分析表明， 檩条具有双向弯曲特性。 在进行内力分析时， 必须对其轴向的弯矩进行科学的计算。 在实际工程中， 应对檩条的强度计算、 变形计算等进行分析。 而对于轻型门式刚架结构， 由于冷弯薄壁檩条的使用， 其宽度比很大， 在受力时会发生弯曲。 为了解决这个问题， 在强度计算时， 必须利用有效宽度， 对原来的截面进行适当的削弱。 同时， 在计算净断面的强度时， 也应考虑钉孔的削弱。通常其强度在15%以下， 对小截面窄翼缘的梁有很大的影响。 通过对刚架的整体分析， 发现在不采用净截面进行强度计算的情况下， 其结果往往比实际的应力要小。 在设计时， 必须明确檩条的作用， 只支撑屋面及墙面板。 当然， 对于刚架梁柱， 也有一定的影响， 可以合理地采用及控制隅撑的数量， 减少刚架外的计算长度， 从而大大提高刚架平面的稳定性。

3.6 拉条设置

檩条的横向刚度通常是由檩条的横向刚度决定，若H型钢的横向刚度大， 则无需对其进行安装。 而当檩条的横向刚度很低时， 应在檩条之间布置拉条，以充分发挥横向支撑的功能， 从而有效地解决檩条在安装和使用时发生的横向变形和扭转问题， 提高檩条的整体稳定性。 在实际设计中， 当檩条间距小于4m时， 应进行合理的计算， 以确定拉条的安装。当檩条跨距大于4m时， 应在檩条跨中设置一条拉条； 当檩条跨越6m或更长时， 应在横梁跨三分处设置经拉条， 并在檐口布置斜拉条、 撑杆等[7]。 根据8 ～10 mm的要求， 对拉条的直径进行严格控制， 应将荷载、 檩条尺寸等因素考虑在内。

3.7 撑杆设置

采用支撑装置， 可有效地控制檐檩的上下向横向弯曲。 根据规范要求， 合理地控制支撑杆的长细比， 通常选用钢管、 方管、 角钢等。 目前， 在一些项目中， 也会在钢管内部安装拉条， 并在支撑杆上安装斜拉条。

4 合理确定屋面支撑与柱间支撑

4.1 屋面支撑

通过分析， 屋面支撑一般不会承受很大的外力，应密切考虑允许长细比， 合理地选取杆件截面， 并将拉杆与横杆相结合， 进行交叉斜撑、 柔性斜撑的科学设计。 根据工程的实际， 可以采用单角钢[8]。要根据压杆的要求， 合理地进行无交叉斜杆、 弦杆和直杆的设计， 使用双角钢梁。 当门式刚架结构跨度大、 高度大时， 易受风压力影响， 应根据内力计算的结果， 合理地选择其截面。 在计算支撑杆件的内力时， 可以假定只受横向荷载， 而压杆不再起作用， 拉杆单独受力。

4.2 柱间支撑

通常， 厂房柱间支撑可分为上部支撑和下部支撑。 在计算上部支撑时， 由于支撑刚度对温度应力有很大的影响， 所以必须根据柔性拉杆对支撑进行合理的计算。 如果工程中采用小型起重机， 则一般采用圆形钢材作为底层支撑。 若使用大型起重机，则使用角钢及槽钢制造底层支撑。 为确保设备的纵向刚度， 应根据拉杆的不同， 进行合理的交叉斜杆的设计。

4.3 合理设计隅撑

在梁的下部和立柱的内侧翼缘之间， 采用隅撑，可以防止发生不稳定。 斜梁的受力变化是导致隅撑安装的重要因素。 在荷载作用下， 梁的上部翼缘一般会受到压力， 而檩条与钢梁之间的连接可以起到很好的稳定作用。 然而， 由于受风吸力的影响， 下翼缘的稳定不能得到有效的保障。 为此， 必须在横梁的下翼缘加上一根隅撑， 从而起到支撑的作用。

5 门式刚架构件设计

5.1 刚架设计

对于内力计算而言， 采用弹性分析方法， 对门式刚架轻钢结构进行内力计算。 如果采用塑性法，那么钢架的梁、 柱都应该是等截面， 而且在进行内力分析时， 应以刚架为平面结构， 以防止产生蒙皮效应[9]。 一般采用杆系单元有限元方法， 在计算机上进行计算。 在此基础上， 将梁、 柱等按不同的形式划分为不同的断面， 以不同的几何特征作为开放的形式， 或采用楔形单元， 通过底部剪切法进行地震影响分析， 可以选用位移法、 力法等结构力学方法进行校验修正。

5.2 墙梁设计

墙体梁的断面形状通常为冷弯型槽钢， 也可使用Z型钢板。 墙梁的自重、 墙体材料、 横向风荷载均为双向弯曲。 壁板通常是与檩条连接， 后檩条与钢柱固定， 墙体的重量最终由钢柱传递到地基上。在使用有槽型断面的墙梁时， 为了方便墙体和刚架立柱的衔接， 应将槽口放在上面， 而在单一的窗框下缘处， 应将槽口向下放置。 墙梁的布置要尽可能等距， 墙体上沿、 下沿处各有一根横梁。 为减小竖向荷载作用， 控制墙梁竖向变形， 可以在墙体上加拉条， 最上面的墙梁用斜拉条把拉力传递到钢架柱，其布置原理与檩条基本一致[10]。

6 门式刚架结构工业厂房结构设计中应该注意的几点内容

6.1 选择最优化截面

门式刚架结构常用的是实腹梁和柱体， 梁柱截面的变化主要受内力影响， 而截面的存储往往受变形影响。 腋梁是横梁的最佳选择， 其截面组成为最大断面高度。 在没有起重机的情况下， 进行施工的轻钢结构工厂， 柱截面和梁截面之间的关系要协调好， 利用梁、 柱截面间的相互关系进行协调调节，以达到节省钢材成本的目的。 在刚架截面受变形严重影响的情况下， 采用刚架和梁段的连接调整程序，可以得到最小的钢材用量。 穷竭法是一种常用的方法， 其结果表明， 通过对不同因素的影响， 可以得出不同参数下， 实际截面优化数据的计算次数与钢材数量的关系。 当某一特定的结构型式设计完成后，由设计者根据构件的内力大小， 对断面尺寸进行相应的调整。 这种最优截面优点是计算量相对较小，保证构件平面外部稳定问题。

6.2 选择最优化梁柱节点

在轻门式刚架房中， 梁柱节点一般都是采用端板连接的形式。 在端板的连接方式上， 可以分为三种， 包括端板的竖放、 斜放、 以及平放。 在计算过程中， 主要运用物理学中的自然科学知识进行力学分析， 以阐明平面端板连接形式的刚度较小是其主要的应用理由。 与端板平齐结构相比， 端板端部节点的受力性能更科学、 更合理。 在复杂的计算之后，端板的垂直连接处的剪力和弯矩都很大， 这就导致了相应的变形力的增加， 端板的竖向节点刚度和端板上的节点刚度差距， 随着轴向的增大， 剪力下降[11]。 在这种情况下， 结构的优势将会对梁柱节点产生影响， 而且节点的坚固性能也会更好， 从而有效地减少变形的概率。 相对于端板平放式和端板垂直放式， 在梁、 柱截面上具有更大的节点刚度， 但由于这种方式对操作者的技术水平有很高的要求，因此其应用的频率很低。 在实际工程中， 为了减少结构变形的概率， 增加节点的刚度， 往往采用端板外展式和竖放式。

6.3 选择合理的柱距

在我国厂房结构设计中， 一般将柱间距系数设定为3m， 其参照值主要来源于工厂内的预制构件。从整体经济观点来看， 立柱间距是否合理直接关系到整个项目的设计成败。 因为钢材用量是衡量设计质量的重要指标， 而立柱间距又是钢材用量的主要因素， 因此二者关系密切。 在传统的设计中， 以预制钢筋混凝土为主， 而在现代厂房中， 采用轻质层面材料， 并与轻质墙体材料相结合。 这种设计与施工方法， 极大地改变了工厂的结构， 解决了基础深、盖重、 柱粗等问题， 采用新的柱距， 减少钢材的用量。 此外， 在实际的作业中， 钢材的用量往往与钢材的规格、 品种和标准化程度有关。

7 结语

随着时代的发展， 现代化进程的加快， 为了适应新时代的新要求， 建筑规模逐步增大。 在工业厂房的设计中， 常用的门式刚架结构， 其耗钢量较少，总体重量较轻， 而且成本较低， 能保证整个厂房的质量， 因而被广泛地采用。 为了有效地保证工厂的质量和使用寿命， 必须对其进行合理的设计。 同时，对结构的支撑系统、 结构布置等进行了全面的分析，对结构设计中的一些细节问题进行改进， 以保证结构设计的稳定性、 安全性、 可行性和经济性。