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[摘要]结合工程实例，针对带吊车门式刚架结构厂房的设计，从相关规范的要求出发，分析了结构计算、钢柱基础、水平支撑和柱间支撑等支撑系统的设置、重要节点、隅撑、檩条和墙梁等设計要点，为类似厂房的设计提供借鉴与参考。
[关键词] 门式刚架；柱间支撑；水平支撑；刚性系杆；长细比；钢柱基础
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
门式刚架结构自上世纪80年代由国外引进我国后，尤其在1998年《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的正式发布后，在我国各地、各个行业均得到了广泛应用。本文结合实际的工程实例，对带吊车的门式刚架结构设计中的要点进行了归纳分析。
2 工程概况
山东潍坊某民营企业投资的100万吨/年凝析油生产化工原料项目，位于山东潍坊滨海经济开发区临港工业园南区，其全厂性仓库主要用于存储工厂生产和维护所用的机电设备、钢材、化工设备等，生产类别为丁类，建筑耐火等级为二级。仓库主体为单层双跨双坡门式刚架钢结构，仓库长97.5米、宽48米，单坡跨度为24米，刚架柱距7.5米，跨中设中柱，檐口高度12.3米、牛腿面高度7.3米，每跨内均设20/5吨的桥式吊车一台，屋面坡度i=0.07。地面上1米以下的外墙为砖砌体结构，其余屋面和墙面均为保温夹芯钢板围护结构。本工程的抗震类别为丙类，抗震设防烈度为7度，工程场地土类别为Ⅲ类，主体结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，抗震等级为三级。
3结构计算
全厂性仓库为带吊车工业厂房，吊车起重量Q=20t，柱高在13米以内，刚架柱、梁为H形等截面、梁为I形变截面，柱脚为刚接。在设计指标的控制上，鉴于本厂房吊车起重量大、厂房高大的特点，设计中主要采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010，简称《抗震规范》）、《钢结构设计规范》(GB 50017-2003，简称《钢规》），以利于整体结构的安全。
3.1刚架主体结构的计算
刚架主体结构即刚架柱、梁采用PKPM的STS模块进行平面建模、平面导荷。也可以进行刚架的空间三维建模，并采用平面的切榀形成横向平面刚架或纵向平面刚架，但最终采用平面刚架的计算结果。厂房刚架柱在吊车梁处采用上、下变阶型式的焊接H形截面，梁为焊接I形变截面，在跨度1/4处设加腋，柱脚为刚接，具体的刚架型式和计算简图见图1。
图1 刚架型式和计算简图
新版2012版的STS软件已考虑了《抗震规范》中的钢结构低延性、高弹性承载力的性能特点，同时考虑钢构件制作、施工的不利因素，对于主平面刚架梁的应力比宜控制在0.90内，钢柱的应力比宜在0.95以内。对于带吊车的工业厂房，往往不是以构件的应力比起控制作用，而是以构件的长细比控制。由于本工程吊车起重量20t已为《门式结构规程》的界限值，应以《抗震规范》的指标控制，故刚架柱长细比以120控制，刚架梁以200控制，对于吊车吨位较大的门刚应特别注意。现将全厂性仓库，根据所适用的规范、标准等在设计中主要应控制的指标总结成表一如下：
表1 仓库设计主要控制指标
3.2刚架梁柱宽厚比、高厚比的计算
对于工业厂房，柱、梁钢结构H形截面，STS会提示柱、梁腹板的高厚比h0/tw和翼缘的宽厚比b/t，若不满足《抗规》9.2.14条条文说明表6的限制时，软件会提示超限，应通过加大板厚或减小板高来使之满足。有些设计单位为了迎合业主的要求，一味地追求低用钢量，尽量采用薄钢板，高厚比和宽厚比指标就是对其加以限制。
3.3风荷载体型系数
对于工业厂房刚架的风荷载体型系数μs，本工程分别考虑了《荷载规范》和《门式结构规程》两本规范的取值，在运用STS软件计算风荷载实际计算发现，风荷载按《荷载规范》取值较按《门式结构规程》的取值大，弯矩组合值也大，故实际工程按《荷载规范》取值，使结构偏于安全。
4结构设计
4.1支撑系统的设计
门式刚架平面内稳定通过刚架柱、梁平面内的刚度作为保证，而刚架平面外的稳定必须通过水平支撑和柱间支撑等支撑系统的设置作为保证。本工程厂房内设有20t吊车，必须考虑其横向与纵向刹车力的影响，同时考虑7.0度的抗震设防，屋面支撑、柱间支撑采用角钢，不得采用张拉钢筋，并参照图集04SG518-3进行设置并适当加强。
本厂房的长度97.5米小于规范对于一个温度区段220米的限制，考虑在厂房纵向中部设置上、下柱支撑（如遇建筑的大门处可设置下柱门式支撑），在厂房的纵向两端设置上柱支撑。由于厂房两端为温度区段的自由伸缩区，为保证厂房温度应力的释放和传递，不宜在此处设置下柱支撑。上柱支撑采用双角钢，下柱支撑采用双片角钢，本工程的纵向柱间支撑见图2。山墙跨度较大，为保证抗风柱的平面外稳定和山墙的整体稳定，在山墙抗风柱间适当位置设置上、下柱支撑和刚性系杆，本工程的山墙结构布置见图3。本工程的抗震设防烈度为7度，工程场地土类别为Ⅲ类，根据《抗震规范》表9.1.23的规定，上柱支撑的最大长细比取250，下柱支撑的最大长细比取150，刚性系杆长细比限值取200。
在设置柱间支撑相应位置的柱间设置屋面水平支撑，在屋脊及檐口处设置通长的纵向水平支撑，在屋脊、檐口、水平支撑节点处横向水平支撑间设置多道纵向的刚性系杆。以上的水平支撑和刚性系杆有效传递了屋面的风载、吊车的纵向水平力，保证了屋架梁的整体稳定。本工程屋面水平支撑设置成单角钢交叉支撑，其长细比限值取350，刚性系杆长细比限值取200。
图2 柱间支撑布置图
图3 山墙结构布置图
4.2钢柱基础的设计
带吊车厂房具有主体刚架自重轻、屋面及墙面围护结构轻，而水平荷载（风荷载和吊车水平刹车力）相对于竖向荷载较大，这就造成基础竖向反力过小，而基底弯矩较大，即基础为大偏心构件。传统的基础设计是以地基承载力作为控制，而对于吊车起重量较大、层高较高的厂房应按照基底的Pmin＞0进行控制，即使基底与地基不出现脱离区。在进行基础设计时，对于天然地基基础，应采用Mmax而N相对较小的工况进行基础尺寸的控制，在设计中应特别注意。设计在应用STS程序计算时，无论应用门式刚架三维设计还是二维设计模块，计算基础时仅考虑了刚架平面内的柱脚内力，但对于柱间支撑位置的柱其纵向柱脚内力不可忽略，以及角柱和山墙处的中柱基础，计算时应考虑两个方向柱脚内力，故应注意基础宽度不宜过小，保证Pmin＞0，否则基础设计尺寸与实际尺寸相差较大。设计中也可以采用桩基础，利用桩承担由基底弯矩转化而成的向上拔力，同时可使基底尺寸减小。
抗风柱的基础结果不应利用STS的计算结果，将其与手算结果比较，其基底尺寸偏小，不能保证基底的Pmin＞0，故应根据其上部结构的计算结果，根据手算或其他计算工具人工复核基底面积，保证Pmin＞0。
4.3重要节点的设计
厂房的连接节点是实现结构安全稳定的重要保证，有“三分靠计算，七分靠节点设计”的说法。对于带吊车的工业厂房，一般包括柱顶节点、牛腿节点、柱脚节点、抗风柱柱顶节点、下柱支撑的下节点等重要节点。设计时运用PKPM系列中STS软件可以完成节点的计算、设计等系列工作，但对于重要节点应通过STS工具箱的相应模块进行复核，并形成单独的计算书，利于日后审图备查。特别说明的，下柱支撑的下节点位置和构造措施，应保证将地震作用直接传给基础，即支撑斜杆的型心轴与柱的型心轴相交于柱脚板的底面中心，对于6度或7度设防区，当不能直接传给基础时，应计及支撑对柱和基础的不利影响，采取加强措施。
4.4隅撑的设计
隅撑是将H型截面柱或I型截面梁的远端翼缘与檩条或墙梁连接，起约束H型或I型截面远端翼缘板的板件和作为其平面外支点的作用。本工程中屋面梁和钢柱的截面高度较大，为保证其截面的稳定，在钢柱柱顶檐口处柱顶内侧、并间隔一道墙梁设置竖向的柱上隅撑，连接钢柱内侧翼缘与墙梁内侧。在屋面檐口、屋脊转角处、每隔一道檩条设置屋面梁隅撑，连接屋面梁下翼缘与檩条下翼缘。屋面梁隅撑的设置应根据计算书中屋面梁的平面外计算长度Ly值加以判断，柱上隅撑的设置应根据计算书中钢柱的平面内计算长度Lx和平面外计算长度Ly值加以判断，其中Ly对于Q＞10t的厂房，应取吊车梁至柱脚及柱顶的距离H1、H2。
4.5屋面檩条、墙梁和雨棚的设计
在实际设计中，屋面檩条和墙梁这些围护结构最先接触荷载，最先发生破坏，所以其合理的设计和构造保证应得到高度重视。这里有几点注意事项：1、屋面板和墙面板一般能阻止檩条上翼缘和墙梁外侧翼缘的侧向失稳，除非檩条下翼缘也设置屋面板，墙梁内翼缘设置墙面板，否则计算中不应勾选“构造保证下翼缘风吸力作用稳定性”和“构造保证风吸力内翼缘侧向稳定性”这两项，否则结构不安全；2、对于跨度大于4米且小于6米的檩条或墙梁间应在跨中，对于跨度大于6米的檩条或墙梁间在每跨三分点处均应各设置一道拉条、撑杆及斜拉杆。3、在檩条截面小于200mm且风载不大时，可仅在檩条上翼缘附近设置拉条，否则应在靠近檩条上、下翼缘处各布置一层，起到对檩条的平面外约束作用。4、屋面板或墙面板之间及面板与檩条或墙梁的连接应采用带橡皮垫圈的自钻自攻螺钉，以保证屋面板或墙面板对于与其连接的檩条或墙梁翼缘的侧向稳定。5、对于大洞口门窗上、下，侧墙和山墙处的墙梁应采用双C型钢或薄壁H型钢。6、为保证结构安全，对于外挑宽度较大、长度较大的雨棚，可在钢柱上设支撑，并在雨棚顶设置斜向拉杆。
5结语
本文通过实际工程实例，并结合相关规范的要求，总结了在带吊车工业厂房的设计中应注意的要点，尤其对于7度以上抗震设防区，吊车吨位大、高大的厂房，这些要点应严格按《抗震规范》、《钢规》等标准规范执行，以保证结构的整体稳定和安全性。与传统结构体系相比，门式刚架轻型房屋钢结构体系的理论还不很完善，尤其在设计中关于运用标准规范上存在较多争议，实际工程中的同类型工程各单位的做法差别较大，这就为理论探索提供了很大的空间。
参考文献
[ 1 ]邓藩荣，冯廉. 福田汽车钢结构工业厂房设计审查要点分析建筑结构[J].建筑结构，2013,43（3）:117-121.
[ 2 ]卢伟煌. 门式刚架水平支撑和柱间支撑内力计算分析研究 [J].福建建筑，2004,89（3）:33-34.
[ 3 ]陳伯芳，武贵中，王元清. 带吊车门式刚架轻钢结构厂房基础反力的计算 [J].黑龙江科技学院学报，2004,14（3）:180-182.
[ 4 ]翁锦华. 门式刚架轻型房屋钢结构的荷载取值和结构计算应引起重视的问题 [J].黑龙江科技学院学报，2010年第1期:36-37.
[关键词] 门式刚架；柱间支撑；水平支撑；刚性系杆；长细比；钢柱基础
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
1引言
门式刚架结构自上世纪80年代由国外引进我国后，尤其在1998年《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的正式发布后，在我国各地、各个行业均得到了广泛应用。本文结合实际的工程实例，对带吊车的门式刚架结构设计中的要点进行了归纳分析。
2 工程概况
山东潍坊某民营企业投资的100万吨/年凝析油生产化工原料项目，位于山东潍坊滨海经济开发区临港工业园南区，其全厂性仓库主要用于存储工厂生产和维护所用的机电设备、钢材、化工设备等，生产类别为丁类，建筑耐火等级为二级。仓库主体为单层双跨双坡门式刚架钢结构，仓库长97.5米、宽48米，单坡跨度为24米，刚架柱距7.5米，跨中设中柱，檐口高度12.3米、牛腿面高度7.3米，每跨内均设20/5吨的桥式吊车一台，屋面坡度i=0.07。地面上1米以下的外墙为砖砌体结构，其余屋面和墙面均为保温夹芯钢板围护结构。本工程的抗震类别为丙类，抗震设防烈度为7度，工程场地土类别为Ⅲ类，主体结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，抗震等级为三级。
3结构计算
全厂性仓库为带吊车工业厂房，吊车起重量Q=20t，柱高在13米以内，刚架柱、梁为H形等截面、梁为I形变截面，柱脚为刚接。在设计指标的控制上，鉴于本厂房吊车起重量大、厂房高大的特点，设计中主要采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010，简称《抗震规范》）、《钢结构设计规范》(GB 50017-2003，简称《钢规》），以利于整体结构的安全。
3.1刚架主体结构的计算
刚架主体结构即刚架柱、梁采用PKPM的STS模块进行平面建模、平面导荷。也可以进行刚架的空间三维建模，并采用平面的切榀形成横向平面刚架或纵向平面刚架，但最终采用平面刚架的计算结果。厂房刚架柱在吊车梁处采用上、下变阶型式的焊接H形截面，梁为焊接I形变截面，在跨度1/4处设加腋，柱脚为刚接，具体的刚架型式和计算简图见图1。
图1 刚架型式和计算简图
新版2012版的STS软件已考虑了《抗震规范》中的钢结构低延性、高弹性承载力的性能特点，同时考虑钢构件制作、施工的不利因素，对于主平面刚架梁的应力比宜控制在0.90内，钢柱的应力比宜在0.95以内。对于带吊车的工业厂房，往往不是以构件的应力比起控制作用，而是以构件的长细比控制。由于本工程吊车起重量20t已为《门式结构规程》的界限值，应以《抗震规范》的指标控制，故刚架柱长细比以120控制，刚架梁以200控制，对于吊车吨位较大的门刚应特别注意。现将全厂性仓库，根据所适用的规范、标准等在设计中主要应控制的指标总结成表一如下：
表1 仓库设计主要控制指标
3.2刚架梁柱宽厚比、高厚比的计算
对于工业厂房，柱、梁钢结构H形截面，STS会提示柱、梁腹板的高厚比h0/tw和翼缘的宽厚比b/t，若不满足《抗规》9.2.14条条文说明表6的限制时，软件会提示超限，应通过加大板厚或减小板高来使之满足。有些设计单位为了迎合业主的要求，一味地追求低用钢量，尽量采用薄钢板，高厚比和宽厚比指标就是对其加以限制。
3.3风荷载体型系数
对于工业厂房刚架的风荷载体型系数μs，本工程分别考虑了《荷载规范》和《门式结构规程》两本规范的取值，在运用STS软件计算风荷载实际计算发现，风荷载按《荷载规范》取值较按《门式结构规程》的取值大，弯矩组合值也大，故实际工程按《荷载规范》取值，使结构偏于安全。
4结构设计
4.1支撑系统的设计
门式刚架平面内稳定通过刚架柱、梁平面内的刚度作为保证，而刚架平面外的稳定必须通过水平支撑和柱间支撑等支撑系统的设置作为保证。本工程厂房内设有20t吊车，必须考虑其横向与纵向刹车力的影响，同时考虑7.0度的抗震设防，屋面支撑、柱间支撑采用角钢，不得采用张拉钢筋，并参照图集04SG518-3进行设置并适当加强。
本厂房的长度97.5米小于规范对于一个温度区段220米的限制，考虑在厂房纵向中部设置上、下柱支撑（如遇建筑的大门处可设置下柱门式支撑），在厂房的纵向两端设置上柱支撑。由于厂房两端为温度区段的自由伸缩区，为保证厂房温度应力的释放和传递，不宜在此处设置下柱支撑。上柱支撑采用双角钢，下柱支撑采用双片角钢，本工程的纵向柱间支撑见图2。山墙跨度较大，为保证抗风柱的平面外稳定和山墙的整体稳定，在山墙抗风柱间适当位置设置上、下柱支撑和刚性系杆，本工程的山墙结构布置见图3。本工程的抗震设防烈度为7度，工程场地土类别为Ⅲ类，根据《抗震规范》表9.1.23的规定，上柱支撑的最大长细比取250，下柱支撑的最大长细比取150，刚性系杆长细比限值取200。
在设置柱间支撑相应位置的柱间设置屋面水平支撑，在屋脊及檐口处设置通长的纵向水平支撑，在屋脊、檐口、水平支撑节点处横向水平支撑间设置多道纵向的刚性系杆。以上的水平支撑和刚性系杆有效传递了屋面的风载、吊车的纵向水平力，保证了屋架梁的整体稳定。本工程屋面水平支撑设置成单角钢交叉支撑，其长细比限值取350，刚性系杆长细比限值取200。
图2 柱间支撑布置图
图3 山墙结构布置图
4.2钢柱基础的设计
带吊车厂房具有主体刚架自重轻、屋面及墙面围护结构轻，而水平荷载（风荷载和吊车水平刹车力）相对于竖向荷载较大，这就造成基础竖向反力过小，而基底弯矩较大，即基础为大偏心构件。传统的基础设计是以地基承载力作为控制，而对于吊车起重量较大、层高较高的厂房应按照基底的Pmin＞0进行控制，即使基底与地基不出现脱离区。在进行基础设计时，对于天然地基基础，应采用Mmax而N相对较小的工况进行基础尺寸的控制，在设计中应特别注意。设计在应用STS程序计算时，无论应用门式刚架三维设计还是二维设计模块，计算基础时仅考虑了刚架平面内的柱脚内力，但对于柱间支撑位置的柱其纵向柱脚内力不可忽略，以及角柱和山墙处的中柱基础，计算时应考虑两个方向柱脚内力，故应注意基础宽度不宜过小，保证Pmin＞0，否则基础设计尺寸与实际尺寸相差较大。设计中也可以采用桩基础，利用桩承担由基底弯矩转化而成的向上拔力，同时可使基底尺寸减小。
抗风柱的基础结果不应利用STS的计算结果，将其与手算结果比较，其基底尺寸偏小，不能保证基底的Pmin＞0，故应根据其上部结构的计算结果，根据手算或其他计算工具人工复核基底面积，保证Pmin＞0。
4.3重要节点的设计
厂房的连接节点是实现结构安全稳定的重要保证，有“三分靠计算，七分靠节点设计”的说法。对于带吊车的工业厂房，一般包括柱顶节点、牛腿节点、柱脚节点、抗风柱柱顶节点、下柱支撑的下节点等重要节点。设计时运用PKPM系列中STS软件可以完成节点的计算、设计等系列工作，但对于重要节点应通过STS工具箱的相应模块进行复核，并形成单独的计算书，利于日后审图备查。特别说明的，下柱支撑的下节点位置和构造措施，应保证将地震作用直接传给基础，即支撑斜杆的型心轴与柱的型心轴相交于柱脚板的底面中心，对于6度或7度设防区，当不能直接传给基础时，应计及支撑对柱和基础的不利影响，采取加强措施。
4.4隅撑的设计
隅撑是将H型截面柱或I型截面梁的远端翼缘与檩条或墙梁连接，起约束H型或I型截面远端翼缘板的板件和作为其平面外支点的作用。本工程中屋面梁和钢柱的截面高度较大，为保证其截面的稳定，在钢柱柱顶檐口处柱顶内侧、并间隔一道墙梁设置竖向的柱上隅撑，连接钢柱内侧翼缘与墙梁内侧。在屋面檐口、屋脊转角处、每隔一道檩条设置屋面梁隅撑，连接屋面梁下翼缘与檩条下翼缘。屋面梁隅撑的设置应根据计算书中屋面梁的平面外计算长度Ly值加以判断，柱上隅撑的设置应根据计算书中钢柱的平面内计算长度Lx和平面外计算长度Ly值加以判断，其中Ly对于Q＞10t的厂房，应取吊车梁至柱脚及柱顶的距离H1、H2。
4.5屋面檩条、墙梁和雨棚的设计
在实际设计中，屋面檩条和墙梁这些围护结构最先接触荷载，最先发生破坏，所以其合理的设计和构造保证应得到高度重视。这里有几点注意事项：1、屋面板和墙面板一般能阻止檩条上翼缘和墙梁外侧翼缘的侧向失稳，除非檩条下翼缘也设置屋面板，墙梁内翼缘设置墙面板，否则计算中不应勾选“构造保证下翼缘风吸力作用稳定性”和“构造保证风吸力内翼缘侧向稳定性”这两项，否则结构不安全；2、对于跨度大于4米且小于6米的檩条或墙梁间应在跨中，对于跨度大于6米的檩条或墙梁间在每跨三分点处均应各设置一道拉条、撑杆及斜拉杆。3、在檩条截面小于200mm且风载不大时，可仅在檩条上翼缘附近设置拉条，否则应在靠近檩条上、下翼缘处各布置一层，起到对檩条的平面外约束作用。4、屋面板或墙面板之间及面板与檩条或墙梁的连接应采用带橡皮垫圈的自钻自攻螺钉，以保证屋面板或墙面板对于与其连接的檩条或墙梁翼缘的侧向稳定。5、对于大洞口门窗上、下，侧墙和山墙处的墙梁应采用双C型钢或薄壁H型钢。6、为保证结构安全，对于外挑宽度较大、长度较大的雨棚，可在钢柱上设支撑，并在雨棚顶设置斜向拉杆。
5结语
本文通过实际工程实例，并结合相关规范的要求，总结了在带吊车工业厂房的设计中应注意的要点，尤其对于7度以上抗震设防区，吊车吨位大、高大的厂房，这些要点应严格按《抗震规范》、《钢规》等标准规范执行，以保证结构的整体稳定和安全性。与传统结构体系相比，门式刚架轻型房屋钢结构体系的理论还不很完善，尤其在设计中关于运用标准规范上存在较多争议，实际工程中的同类型工程各单位的做法差别较大，这就为理论探索提供了很大的空间。
参考文献
[ 1 ]邓藩荣，冯廉. 福田汽车钢结构工业厂房设计审查要点分析建筑结构[J].建筑结构，2013,43（3）:117-121.
[ 2 ]卢伟煌. 门式刚架水平支撑和柱间支撑内力计算分析研究 [J].福建建筑，2004,89（3）:33-34.
[ 3 ]陳伯芳，武贵中，王元清. 带吊车门式刚架轻钢结构厂房基础反力的计算 [J].黑龙江科技学院学报，2004,14（3）:180-182.
[ 4 ]翁锦华. 门式刚架轻型房屋钢结构的荷载取值和结构计算应引起重视的问题 [J].黑龙江科技学院学报，2010年第1期:36-37.