轻型门式刚架设计要领

　　摘要：近年来，轻型门式刚架房屋结构在我国得到了迅速发展。通过对门式刚架轻钢结构设计经验的总结，针对门式刚架轻型房屋钢结构设计中遇到的关于结构形式、节点设计、檩条、支撑等若干方面的问题进行了论述、探讨。
　　关键词：门式刚架；轻钢结构；结构形式；节点；檩条；支撑
　　
　　1引言
　　轻型门式刚架结构体系是近年来发展起来的新型结构体系,是指以H型钢截面门式刚架为主的横向承重结构和纵向由冷弯成型的檩条、墙梁、墙柱、屋面板、墙板及各支撑体系等组成的轻钢建筑物。这类结构体系质量轻，机械化程度高，施工周期短，综合经济效益高，柱网布置比较灵活。
　　2整体设计
　　无论是由刚架和屋面板及檩条连接成的屋盖结构，还是由柱和吊车梁连接成的纵向结构，都是通过支撑系统形成几何不变体系。因此,门式刚架结构设计首先要注意结构体系的完整性，力求受力及传力途径清晰可靠。在实际工程中，设计人员应该首先考虑结构的整体刚度、构件的稳定性，而对结构强度的关心则相对次要。当结构纵向较薄弱时，为保证传力途径不被破坏，需要适当增加刚性系杆和支撑。门式刚架结构作为钢结构中特殊的一类，一般受力小、跨度大，其构件尺寸比普通钢结构更小，结构的刚度、变形及平面外稳定性常常成为控制性的因素。
　　3结构形式
　　门式刚架的结构形式按跨度可以分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中推荐使用单脊双坡门式刚架，而不推荐多脊多坡门式刚架。这是因为在其他条件都相同的情况下，屋脊两侧各需要一根檩条，内天沟两侧也各需要一根檩条，从而多一个屋脊就需要多一根檩条，多一个内天沟也需要多一根檩条。这样就会增加檩条的用钢量以及落水管等附加设施的材料用量，内天沟处也会因为堆雪等而加大荷载。具体形式见图1。此外，对于单脊双坡多跨屋架，当用于无桥式吊车的房屋时，如果刚架柱不是特别高且风荷载也不是特别大，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜两端铰接的摇摆柱方案。

　　（a）多脊多坡（b）单脊双坡
　　图1屋面形式
　　4节点设计
　　4.1柱脚
　　柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，不存在绝对刚接或绝对铰接。铰接一般用于不带吊车的厂房、仓库以及柱上端水平位移不大的刚架中，对于有吊车以及檐口高度较高、风载等其他水平荷载较大的情况下宜用刚接。柱脚铰接时通长为平板式支座，设置为一对或两对地脚螺栓。柱脚刚接时有两种型式：即带加劲肋的刚接柱脚和带靴梁的刚接柱脚。
　　柱脚形式的选择还要考虑土质情况及基础造价。当采用刚接柱脚时，基础承受较大的偏心弯矩，基础平面尺寸和造价较采用铰接柱脚的基础要大，土质情况差的时候，相差会更大。
　　因此，选用何种柱脚形式要根据房屋的高度、风载大小、有无吊车、吊车的吨位和工作情况及土质情况综合考虑。
　　4.2梁柱连接节点
　　门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜放三种形式。端板竖放适用于局部等截面柱。当竖向荷载起控制作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时柱能在安装时起到临时支座作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜放形式，加长抗弯连接的力臂，有利于布置螺栓，但此时对加工精度要求较高，且应注意安装空间的问题。端板拼接连接形式有外伸式和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。
　　中柱与梁的连接一般可采用铰接处理，但当跨中反弯矩很大或需控制水平位移时此处可设计为刚接。将端板平放与梁的下翼缘连接，受力合理，也便于加工安装。
　　5支撑和刚性系杆设计
　　支撑体系在门式刚架轻钢结构具有十分重要的作用,主要体现在以下几个方面：
　　（1）将各个平面刚架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构；
　　（2）为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点,减少平面外的计算长度；
　　（3）明确合理、简捷的传递风力，温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。
　　5.1屋盖和柱间支撑
　　屋盖和柱间支撑布置时应该保证能形成完整的传力路线。
　　（1）屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨内以形成独立的空间支撑体系；
　　（2）屋盖横向支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个开间。当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设刚性系杆，使山墙的风荷载等水平力可靠传递；
　　（3）屋面支撑的布置应与山墙抗风柱的位置相协调，使抗风柱的柱顶反力直接传到屋面横向支撑的节点上。
　　（4）门式刚架轻型房屋钢结构的支撑,可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑；当设有起重量不小于5t的桥式吊车时，柱间支撑宜采用型钢支撑。
　　5.2隅撑
　　隅撑虽小是用来保证钢梁下翼缘和钢柱内侧翼缘受压稳定的重要措施。当实腹式刚架梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置隅撑作为斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上。隅撑应按轴心受压构件设计。一般屋面每两个檩距设一道隅撑，但在梁柱连接点附近受力较大处建议增设一道隅撑，墙架在靠近刚架柱、梁节点处设一道隅撑。
　　5.3刚性系杆
　　刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。在刚架的转折处(边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶)应沿房屋全长设置刚性系杆。纵向通长刚性系杆使各道屋面支撑或柱间支撑连成整体，以共同承担水平力。,
　　6拉条设计
　　拉条不宜设在C型檩条中心线处，这样的设置对檩条上下翼缘的平面外稳定作用效果均不大，在计算时均不能计入其有利作用，拉条的位置应尽量设在离上（下）翼缘附近处适当布置。拉条与檩条连接的位置《规程》第6.3.6条中规定当采用圆钢做拉条时，可设在距檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内。
　　7檩条设计
　　轻型门式刚架的檩条构件可以采用C形冷弯卷边槽钢和带斜卷边或直卷边的冷弯薄壁型钢。Z形檩条受力性能稍好，但制作和安装麻烦,适用于屋面坡度较大的情况。檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各200范围内布置1道，在天沟附近布置1道。为获得经济效益，一般推荐采用连续檩条。在外荷载作用下，檩条同时产生弯曲和扭转的共同作用，一般应按双向受弯构件计算其强度和稳定性。拉条和支撑是保证冷弯薄壁型钢檩条稳定性的重要保障。当檩条跨度＞4m时，宜在跨中设置一道拉条；当檩条跨度＞6m，<12m时，应在跨间三分点处各设置一道拉条。当檩条跨度为>12m时，根据实际情况增设，一般的做法是采用拉条和撑杆从檐口一端起，连接每一根檩条直到另一端，并在斜拉条间设撑杆。
　　另外当柱矩较大时，檩条的整体稳定就很难保证，往往我们的设计人员采用加大再加大截面的做法，檩条在整个结构中用钢量所占的比例就会提高。一般情况下，为了节约用钢量，减少投资，大跨度檩条可设计为蜂窝梁；采用连续檩条也是一种可行的办法，研究表明檩条跨度为6m以上时，采用连续檩条要比简支檩条节约将近10%的檩条用钢量，并且随着檩条跨度的增加，这种经济性越来越明显。因此相对于简支檩条来说，采用连续檩条可以在满足相同刚度的条件下，使材料得到更充分的利用，用钢量更省，从而降低钢结构的造价。但是采用连续檩条加工时一定要注意采用大小头的加工方式，否则现场安装困难。
　　8结语
　　门式刚架轻型房屋钢结构在我国应用已经比较广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍较多。在门式刚架轻型结构设计时，钢结构的节点、构件的整体稳定是确保门式刚架安全的关键。门式刚架轻型钢结构除主刚架强度和稳定计算外,支撑体系的布置非常重要。在设计时，应首先学习和理解规范的条文内容，建立清晰的结构概念，总结设计经验，注重整体分析，根据具体的工程情况合理的选取柱距，合理的设计构造措施。只有遵循以上原则，才能使结构设计既经济合理，又安全可靠。
　　
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