厂房建筑中的轻型门式刚架结构设计

郑志颖

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

0 引言

随着结构设计领域的快速发展，门式刚架结构得到了越来越广泛的应用。相比于其他结构形式而言，门式刚架结构的质量轻、施工周期短、应用效果好，目前在厂房建筑中得到了广泛的应用。因此，相关人员要加强对这一结构形式的研究，不断提高设计水平，促进建筑行业的健康稳定发展。

1 轻型门式刚架结构特点

现阶段，我国在轻型门式刚架结构的设计、制造与施工方面取得了显著的成就，在开展单层厂房或仓库类建筑施工时，传统的钢筋混凝土结构逐渐被取代，主要是由于轻型门式刚架结构具有以下5 个方面的特点与优势：①质量轻。调查数据显示，单层轻型门式刚架结构的用钢量可以低至到10～30kg/m2。在跨度、荷载相同的条件下，如果采用钢筋混凝土结构，那么用钢量将达到200～900kg/m2。②施工简便且时间较短。随着制造工艺与施工工艺的不断成熟，门式刚架结构施工时只需要利用相关的构件进行组装，大大提高了施工速度，可以在短时间内安装完成。③经济效益高。设计过程中，结构构件和节点的标准化程度高，因而相较钢筋混凝土结构，能缩短周期。同时，由于制造材料单一，因而可以提高制造环节的自动化水平，使得周期大大缩短。当设计工作结束之后，将构件运输到施工场地进行拼装。施工期间占用的场地面积较少，运输环节也较为便利，因而经济效益较高[1]。④柱网的布置形式较为灵活。柱间距离应当根据具体的承重荷载进行确定，在保证安全的条件下，能够有效的节省材料。⑤由于施工期间使用的材料主要以钢材为主，如果做好相应的防腐处理，可以实现材料的循环使用，进而降低了工程建设成本，同时也符合可持续发展的理念，对促进建筑行业的可持续发展有着重要的意义。

2 结构形式与结构布置

2.1 结构形式

实际工程中，对于门式刚架结构的设计与应用，应当与工程的实际情况紧密结合。根据工程的实际需要，可以采用单跨、双跨与多跨的结构形式。此外，如果按照屋面坡脊数对其划分，可以细分为3 种不同的结构形式：单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡，屋面坡度通常将控制在1/20～1/8。因为门式刚架结构的形式、种类较为多样，设计时的选择余地也较多。如果建筑内净高要求不大（即刚架柱高度不大），且风荷载影响不显著时，中柱设计可以采用两端铰接的摇摆柱，在节省钢材的同时还能兼顾安全性方面的要求[2]。

2.2 结构布置

为提高门式刚架结构的安全性、可靠性与稳定性，在厂房结构设计期间应当做好结构布置，结合建筑的实际情况与需求，首先要做好纵向温度分析。通常情况下，纵向温度区域范围主要在300m 之内，横向大多不会超过150m。出于经济型考虑，柱距控制在6～7.5m，必要时可按9m 设计。至于跨度的选择，可以根据建筑需求，将跨度合理控制在9～36m，更大跨度的结构是否仍适用门式刚架结构，还需要具体情况具体分析。

3 轻型门式刚架结构设计要点

在开展结构设计时，应重点从荷载选择、刚架设计、檩条和墙梁设计等方面开展工作。

3.1 荷载选择

3.1.1 永久荷载

永久荷载应当依据实际情况取值，不应过大或过小。取值过大，则实际屋面并没有这些荷载，而这些荷载对抵抗向上的风吸力是有利的，从而会导致结构偏于不安全。取值过小，则导致实际屋面无法有效承受竖向荷载。另外，根据建筑所处城市、使用功能的不同，屋面围护结构做法不同会导致重量存在差异，设计时应具体考虑，不应一概而论。

3.1.2 可变荷载

可变荷载是受到外界环境等因素的影响而导致的。例如，屋面上人荷载、检修荷载、雪荷载、地震作用等因素，都将影响到可变荷载。在进行可变荷载的取值时，应当结合实际的建筑对象，重点做好使用量的计算。

在以往的设计中，如果荷载面积超过了60m2，那么可将这一数值调整为0.3kN/m2来设计。2022 年1 月1 日起实施的《工程结构通用规范》中，明确了无论何种建筑，不上人屋面的最小活荷载应按0.5kN/m2取值[3]。该条文将对现有的门式刚架结构设计产生较为复杂的影响，总体而言会提高结构的可靠性，同时也会一定程度增加该类结构的用钢量，影响经济性。

另外，随着环保节能意识的提升，越来越多的门式刚架结构厂房、仓库等建筑，会考虑在屋面设置光伏发电系统，以满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的要求。设计时应充分了解建设单位的需求，以便选择准确的荷载，既要保证建筑的安全性，也要保证建筑的经济性。

3.1.3 荷载组合

荷载组合对于结构设计有着重要的影响，一旦组合方式出现问题，将直接影响到结构的安全性与稳定性。因此，设计期间应当结合相关规范与标准，对不同类型的荷载情况做出合理有效的组合，提高结构的稳定性与安全性[4]。

门式刚架结构属于轻型钢结构，自重轻，地震时吸收的地震力很小，几乎不构成控制构件设计的主要因素。真正对门式刚架设计产生控制性影响的往往是风荷载。横风吹过带坡度的门式刚架屋顶时，会对结构产生一个向上的力，而门式刚架结构自重轻，无法利用自身重量压制该风吸力，导致柱脚会产生拉力，这是混凝土结构的房屋从来无须考虑的问题，故很多设计人员往往容易忽视这种拉力对柱脚设计的不利影响。

由于钢柱通常不会直接连接在基础上，而是通过一节混凝土短柱来连接钢柱和基础，因此，即便钢柱柱脚按铰接设计，其水平剪力作用于混凝土短柱上，仍然会对基础产生一个弯矩。当该水平剪力足够大，或者基础埋深较深导致混凝土短柱过长时，该传递到基础的弯矩将不容忽视，甚至导致独立基础产生过大的脱空比，影响结构安全。

在门式刚架的设计中，应该重视风荷载对结构的影响，严格按照规范以及实际情况进行荷载施加，以确保荷载组合准确无误，起到指导设计的作用。

3.2 结构分析

目前主流的结构分析软件对门式刚架结构主要采用的是弹性分析方法。由于门式刚架结构的受力明确，结构形式简单，该方法可以较为快速地对结构内力做出合理的、能够指导设计的分析结果，因此被广大结构设计人员所采用，且能够经得住实际工程的考验。

3.2.1 主刚架设计

刚架设计时，主要使用Q235B 或Q355B 级钢材。针对实腹式刚架梁，设计时可以取跨度的1/45～1/30。Q355B 的强度大约为Q235B 的1.5 倍，而两种钢号的价格差距通常在10%左右，远小于强度的差距。可以很容易地看出，Q355B 是主刚架设计时更为合理的选择。利用PKPM 等结构分析软件对同一结构布置进行试算，将钢柱、钢梁的应力比均控制在0.95 以内，分别采用Q235B 和Q355B 两种钢材，可以看出Q355B 的用钢量有显著的减少，这也证实了我们前面的分析，Q355B钢材更为经济。

3.2.2 檩条和墙梁设计

门式刚架结构的檩条和墙梁通常使用C 型、Z 型钢。开展设计时，应重点关注风荷载的影响。对于门式刚架结构设计而言，檩条和墙梁设计期间应当考虑风荷载的影响，确保其在受到风吸力的作用下能够保持安全状态。由于实际工程中，檩条和墙梁上通常会存在用于安装固定的孔位，削弱截面强度，因而在进行檩条的计算时，应当采用有效截面进行计算[5]。

3.2.3 节点设计

对于梁与梁分段点的选择，应当从受力与运输两个角度进行考虑。针对柱之间的梁，为改善受力情况，可采用1:2:1 分段设计的方式。其中，中间受力较小的一段，可以将其设计为等截面梁的形式，两端位置可以设计为楔形梁的形式。考虑到运输成本，单节钢构件的长度最好控制在12m 以内。

4 案例分析

4.1 工程概况

某钢结构厂房建设期间，经过方案对比最终决定采用轻型门式刚架结构体系。该厂房建筑的内部空间相对较大，长度为90m，宽度为50m。主刚架拟采用焊接H 型钢，钢板的表面进行镀锌处理。厂房预计使用50 年，抗震设防烈度为Ⅶ度，结构的安全等级为二级。

4.2 结构设计

在开展厂房建筑结构设计工作时，主要从刚架设计、支撑设计、围护结构设计以及节点设计等几个方面着手进行。

（1）主刚架设计。主刚架采用的是两跨的形式，即双跨门式刚架结构。每一跨的跨度尺寸为25m，柱距设计为7.5m。主刚架主要由刚架梁、边柱以及中柱3 个部分构成。边柱的下端采用铰接的方式，上端和刚架梁进行刚接处理。由于当地风荷载不大，故中柱的两端均采用铰接的方式，即摇摆柱。前期设计时，通过对该结构的弯矩分布情况的分析，边柱与刚架梁可采用变截面楔形构件，弯矩较大的位置采用截面高度较大的一端，另一端则反之。这一设计方式能起到节约钢材的作用。结合门式刚架结构的实际受力情况，由于平面范围内通常是较大跨度，对边柱、梁的刚度要求较高，因此，采用焊接H 型钢截面形式，强轴设置在面内，以发挥H 型钢截面最大的优势[6]。此外，中柱采用的是摇摆柱，仅受轴向压力作用，因此只需要满足长细比和压杆稳定性的要求即可，能减少用钢量。

（2）侧向支撑系统设计。相邻两榀刚架之间采用圆管截面系杆进行支撑。由于系杆与刚架之间的连接通常为铰接，若只靠系杆，那么结构支撑体系是不完整的，从概念上来说，至少需要在其中两榀刚架之间，增设十字斜撑，以使这两榀刚架连同系杆、斜撑形成桁架，作为结构抗侧力构件。柱间支撑对门式刚架结构的影响如图1 所示。在实际设计中，通常不会只在其中两榀刚架设置十字斜撑，一般在首尾的第一或第二个柱距范围内设置，中间则按45m 设置一道。

图1 柱间支撑对门式刚架结构的影响

（3）屋面檩条设计。采用的檩条的跨度为7.5m，使用了Z 形的型钢檩条。将整个檩条分为3 段，每个3 分点位置处，分别设置了1 道拉条。其中，拉条的直径为12mm，采用的是圆钢材料。此外，在屋脊和檐口的位置设计刚性撑杆，在原有12mm 拉条的外面增设了截面尺寸为φ32mm×2.0mm 圆管。为了提高钢梁下翼缘的稳定性，在每间隔1 道屋面檩条的位置，分别设置一道隅撑。该处采用的为连续檩条，优点是节约钢材，缺点是安装工艺复杂。虽然连续檩条之间需要搭接，且螺栓须采用高强螺栓，但连续檩条能将弯矩传递到相邻檩条，受力更为合理可靠，能充分利用构件的强度，起到节约钢材的目的。如果设计时希望安装方便，节约工期，则可以考虑设计为简支檩条。采用简支檩条时一般选取C 形的型钢檩条，有利于安装，但用钢量较高。

（4）抗风柱及墙梁设计。抗风柱采用焊接H 型钢，柱脚铰接，柱顶与钢梁采用滑动支座连接，以避免钢梁由于竖向变形对抗风柱的压力导致的附加应力。实际设计中通常采用开长圆孔加安装螺栓的方式，或者采用簧片连接。墙梁设计类似于屋面檩条设计，此处不再赘述。

（5）节点设计。在门式刚架结构中，钢柱柱脚通常采用铰接，刚架斜梁与柱之间一般使用端板竖放的方式，少数为了安装方便可采用端板横放。端板两侧间采用高强螺栓进行紧密的连接。檩条或墙梁通常与预先焊在钢柱或钢梁上的檩托连接，若采用连续檩条，则应该采用高强螺栓连接，简支檩条则可以采用普通安装螺栓。

5 结语

轻型门式刚架结构由于自重轻、施工便利，且有着良好的经济性，因而在目前的厂房建筑设计、施工中有着较为广泛的应用。在开展结构设计工作时，首先要对厂房建筑的实际需求做出分析，结合具体情况，选用合理的结构形式。其次，设计人员应重点做好结构形式与结构布置工作。具体设计中，应严格控制对荷载的选择，并落实对刚架的节点、檩条以及柱、梁的设计，同时还要注重墙梁、围护结构的设计质量。