[钢结构知识]单层轻型门式刚架结构设计要点

摘要：介绍了单层轻量化门式刚架结构的特点，系统阐述了整个结构体系的布局、各个构件的设计要点以及设计中应注意的一些问题。

我国轻质门式刚架房屋结构的应用始于20世纪80年代初。 近十年来发展迅速。 目前，我国每年有数千万平方米的轻钢建筑工程，主要应用于轻型厂房、仓库、体育馆、展览馆、活动房屋、加层建筑等。

单层轻型门式刚架结构是指由轻质焊接H型钢（等截面或变截面）、热轧H型钢（等截面）或冷弯薄壁型钢组成的实腹门式刚架或框架。壁钢。 采用格构门式刚架作为主要承重框架。 檩条、墙梁采用冷弯薄壁型钢（C型、Z型等）； 屋顶和墙壁采用压型金属板（压型钢板、压型铝板）。 表面; 采用聚苯乙烯泡沫、硬质聚氨酯泡沫、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温材料并适当设置支撑的轻质房屋结构体系。

目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H型变形截面构件。 单跨框架的梁柱节点采用刚性连接。 大多数多跨框架都是刚性连接和铰接的。 柱脚可与基础连接。 刚性或铰接式； 围护结构多采用压型钢板； 保温材料多采用玻璃棉。

1 单层轻型门式刚架结构特点及设计注意事项

1.1与钢筋混凝土结构相比，单层轻型门式刚架结构具有以下特点：

(1)重量轻

围护结构采用压制金属板、玻璃棉、冷弯薄壁型钢等材料制成，屋顶和墙壁都很轻。 据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构用钢量一般为10~30kg/m2。 在相同跨度和荷载条件下，自重仅为钢筋混凝土结构的1/20~1/30左右。 。 由于结构重量轻，地基可相应做得较小钢结构房屋寿命，地基处理成本较低。 同时，在相同地震烈度下，结构的地震反应较小。 但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。

（二）工业化程度高，建设周期短

门式刚架结构的主要构件和附件大多在工厂制作，质量容易保证，施工现场安装方便； 除基础施工外，基本无湿作业； 部件之间的连接多采用高强度螺栓，可快速安装。

（三）综合经济效益高

门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短； 原材料种类单一； 部件采用先进的自动化设备制造； 交通便利。 因此，门式刚架结构工程周期短，资金回收快，投资效益较高。

(4)柱网的布置比较灵活

由于屋面板、墙板尺寸的限制，传统的钢筋混凝土结构形式柱距为6米。 当采用12米柱距时，需安装支架和墙架柱。 门式刚架结构围护系统采用金属压型板，柱网布置不受模块限制。 柱距主要根据使用要求和尽量减少钢材用量的原则确定。

1.2 设计注意事项

(1)由于门式刚架结构构件的弯曲刚度和扭转刚度较小，结构整体刚度较弱，设计时应考虑运输和安装过程中采取必要的防止弯曲和扭转的措施的组件。 形变。

(2)注意支撑系统和角撑的布置，以及屋面板、墙面板与构件的连接结构，使其参与结构的整体工作。

(3)组成构件的杆件较细，设计时应考虑生产、安装、运输的要求。

(4)设计时应充分考虑腐蚀对结构构件截面弱化的影响。

(5)门式刚架的梁、柱多采用变截面构件。 设计时考虑梁、柱腹板屈曲后的强度，不再适用塑性设计。

(6)设计时必须重视并正确处理轻量化的后果。 例如，风力可以逆转轻质屋顶的负载。

2 结构形式及结构布置

2.1 结构形式

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨。 按屋脊数量可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡等。 屋顶坡度宜为1/20~1/8。 当单脊、双坡、多跨刚架用于没有桥式起重机的房屋时，当刚架柱不是特别高、风荷载不是很大时，根据“集中原则”使用材料》中，中心柱宜采用两端铰接式摇柱方案。 门式刚架的柱脚大多设计为铰接式。 当用于工业厂房并配备桥式起重机时，柱脚应设计为刚性连接。 门式框架可配备起重能力不超过3t的悬挂起重机和起重能力不超过20t的轻、中型单梁或双梁桥式起重机。

2.2 结构布局

2.2.1 刚架的建筑尺寸和布置。

门式刚架跨度宜为9～36m。 当列宽不同时，其外侧应对齐。 高度应根据使用所需的室内净高确定，宜为4.5~9m。 门式刚架的合理间距应综合考虑门式刚架的跨度、荷载条件、使用要求等因素。 一般宜采用6m、7.5m、9m。 纵向温度段小于300m，横向温度段小于150m（有计算依据时，温度段可适当放大）。

2.2.2 檩条、墙梁的布置

檩条间距应通过计算确定，综合考虑天窗、通风脊、采光条、屋顶材料、檩条规格等因素。 一般应等间隔布置，但在屋脊处，应沿屋脊两侧各布置一处，靠近天沟处布置一处。 一起。 侧墙梁的布置应考虑门、窗、挑檐、雨篷等构件的设置和围护材料的要求。

2.2.3 支撑和刚性拉杆的布置

(1)在各温度段或分期建设的段内，应设置能独立形成空间稳定结构的支撑系统。

（2）设有柱支撑的开间，应同时设置屋面侧向支撑，形成几何不变系统。

(3) 端部支架应位于温度段末端的第一或第二隔间。 柱间距应根据房屋纵向受力和安装条件确定。 一般为30~45m。 有起重机时不宜大于60m。

(4)房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置； 当房屋宽度大于60m时，内柱内宜适当设置支撑。

(5) 当端部支撑位于端部第二开间时，应在第一开间相应位置设置刚性拉杆。

（6）刚架转折处（多跨刚架的边柱顶、屋脊、中心柱顶）宜沿房屋全长设置刚性拉杆。

(7) 对于由支撑斜杆组成的水平桁架，直腹杆宜视为刚性拉杆。

(8)刚性拉杆也可用作檩条。 此时钢结构房屋寿命，檩条应满足受弯构件的承载能力和刚度要求。 若不满足要求，可在刚架斜梁之间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。

(9)当房屋内有不小于5t的起重机时，柱间支撑宜采用型钢； 当房屋内不允许柱间支撑时，宜设置纵向刚架。

3 刚性框架设计

3.1 荷载和荷载组合

3.1.1 永久荷载

永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋顶、檩条、支撑、吊顶、墙体构件和刚架等。

3.1.2 可变负载

变动荷载包括屋面活荷载（屋面板和檩条设计时应考虑施工和维护集中荷载，标准值为1KN）、屋面雪荷载和灰尘荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。

3.1.3 荷载组合

荷载组合一般应符合《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的规定。 针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（2012年版）给出了以下组合原则：

(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大者。

(2) 粉尘荷载应与雪荷载或屋顶均布活荷载中的较大值一起考虑。

(3)施工或维修的集中荷载不应与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。

(4)多台起重机的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定。

(5)需要考虑地震作用时，不同时考虑风荷载和地震作用。

3.2 刚架内力和侧向位移计算

3.2.1 内力计算

对于变截面门式刚架，宜采用弹性分析方法确定各种内力。 仅当框架的梁和柱均为等截面时，才允许采用塑性分析方法。 变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）在计算机上计算。 地震作用的影响可以使用基础剪力法进行分析和确定。

根据不同载荷组合下的内力分析结果，求出控制段的内力组合。 控制断面一般位于柱底、柱顶、柱牛腿连接处、梁端、梁跨中段等处。 控制截面的内力组合主要有：

(1)最大轴压力Nmax和同时出现的M、V中的较大值。

(2)最大弯矩Mmax和同时出现的N、V中的较大值。

(3)在永久荷载和风荷载共同作用下出现最小轴压Nmin及相应的M、V。 当柱脚铰接时M=0。

3.2.2 侧移计算

变截面门式刚架柱顶的横向位移宜采用弹性分析方法确定。 计算时应以荷载为标准值，不考虑荷载分项系数。 如果最终计算中刚架的侧移刚度不满足要求，需采取下列措施之一进行调整：加大柱或（和）梁的截面尺寸、更换铰接柱脚到刚性柱脚； 改变多跨框架 一些摆动柱被改变，使其上端刚性地连接到梁上。

3.3 刚架柱、梁设计

(1)梁、柱、板宽厚比及腹板屈曲后强度利用的限制。 （主要包括梁、柱、板的宽厚比极限校核，腹板屈曲后强度利用率校核，腹板有效宽度校核等）

(2)刚架梁、柱构件的强度校核。

(3)梁腹加劲肋的配置。 （梁腹板在中心柱、受较大固定集中荷载处与翼缘转折处连接处应设置横向加劲肋）

(4)确定刚架平面内变截面柱的计算长度。

(5)刚架平面内变截面柱的整体稳定性计算。

(6)刚架平面外变截面柱的整体稳定计算。

(7)斜梁、角撑的强度和稳定性计算。

(8)节点设计。 （包括斜梁与柱的连接、斜梁的拼接、柱脚的设计、牛腿的设计、摆柱与斜梁的连接结构等）

4 辅助结构件设计

4.1 压型钢板设计

(1)压型钢板材料的选择可根据建筑功能、使用条件、使用寿命、结构形式等因素综合考虑。 钢板基材的材质有Q235钢和Q345钢。 工程中多采用Q235-A钢。

(2)压型钢板的截面形式有多种。 根据波高不同，一般分为低波板、中波板和高波板。 波高越高，截面的弯曲刚度越大，能承受的载荷也越大。

(3)压型钢板作为受弯构件，可取单个缺口的有效截面来计算其强度和挠度。 计算内容包括压型钢板腹板剪应力计算、支撑处腹板局部受压承载力计算、挠度极限计算等。

-结束-