论文部分内容阅读
摘要：轻型门式刚架结构质量轻，安装速度快在工业厂房中广泛使用。该文主要分析了门式刚架结构设计过程中的平面刚架、纵向支撑系统、围护结构、吊车梁等关键部位的设计要点，并探讨了结构设计初期方案确定的重要性。简要分析了门式刚架的设计重点、经济效益等。
关键词：门式刚架;钢结构;结构设计中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-03-275
1引言
随着我国近几年经济结构转型，大型仓储类厂房大量建设。轻型门式刚架因其轻便、经济和安装迅速等优越性被广泛使用，我国也于2016年实施《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015。因此如何经济合理的设计是轻钢结构设计的要点。
2门式刚架概述
门式刚架主要由多榀平面刚架结构用纵向支撑系统联成空间整体空间如图1。该结构形式受力明确，竖向荷载及横向水平荷载主要由平面刚架承担，纵向水平荷载由纵向支撑系统承受和传递。外部围护结构由屋面和墙面组成，屋面一般由屋面檩条和轻质屋面板组成，墙面则由墙梁及墙面板组成。除了以上主要构件的设计外还应根据建筑物的防火等级进行防火设计，选择相应的防火涂料及措施。海边、化学品存储仓库等应根据防腐蚀要求进行防腐蚀设计。
3平面刚架设计
平面刚架设计是门式刚架厂房设计的重点，由随屋面坡度的横梁和钢柱组成，根据厂房的使用要求可以确定钢架高度、跨度及钢梁坡度。为节省刚架自重及节约造价，屋面横梁一般设计成变截面梁，能更有效的利用构件截面。刚架设计应整体计算，根据竖向和水平荷载作用下的内力结果和规范的构造要求设计合理的梁柱截面，满足构件的强度及稳定性要求。平面刚架主要承受的竖向荷载有结构及围护构件自重、通风气楼、屋架悬挂的设备、屋面活荷载、吊车竖向荷载、雪荷载和屋面风荷载组成。横向水平荷载主要包括风荷载、吊车横向水平荷载、设备运行荷载及地震作用等。结构设计时还应考虑连接节点的设计及构造。由于厂房一般跨度大，考虑到钢构件的运输货车最大只能装载15m的构件，一般构件长度宜控制在15m以内。钢梁的拼接节点宜设置在弯矩及剪力包络图较小处，同时最好避开屋面纵向支撑系统的连接节点处。这样不仅使结构更合理，也可以相应的节省工程造价。
4纵向支撑系统
门式钢架在纵向应设置支撑系统。纵向支撑系统由屋面水平支撑、刚性系杆、及柱间支撑等构件组成，杆件计算模型以拉压杆件组成。纵向支撑系统可以传递钢架平面外受到由山墙传递来的风荷载、温度荷载、吊车的纵向荷载以及设备运行荷载的作用。还要通过合理设置系杆及支撑减少钢架横梁及钢柱的平面外计算长度从而满足钢架的平面外整体稳定。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015的规定，屋面水平支撑可以只考虑承受拉力作用。设计时按拉杆设计不仅可以简化计算，也能节省造价。对于跨度大，梁截面也大的门式钢架，宜采用水平刚性系杆来减少钢柱钢梁的平面外计算长度。檩条的隅撑则更适用于跨度小，梁截面相对较小处。对于有吊车梁的厂房，柱间支撑位于厂房或者伸缩缝两端处可仅设置吊车梁以上的柱间支撑，避免因温度荷载等的作用下端部支撑刚度过大引起的荷载集中。近几年物流类仓储厂房迅速发展，对车间内大空间使用要求也越来越高。柱间支撑的设置往往会影响到厂房内部运输通道，因此柱间支撑应选择合理的类型（见图2）和间距尤为重要，还应结合厂房的使用要求合理布置，有条件时应在设计方案初期确认位置。
5吊车梁设计
一般工业厂房内设备重体积大，安装运输及检修相对不便利，而采用起重吊车可解决使用中的这些问题。起重吊车一般由专业的吊车厂家制作，门式刚架结构应设计相应的轨道、吊车梁、车挡等构件，吊车梁为主要的受力构件直接承受吊车运动过程中传递来的吊车动荷载，计算模型为简支梁。起重吊车根据使用频率确定起重吨位后，可分为轻级、中级和重级工作制。在吊车荷载的反复作用下，吊车梁等直接承受动荷载的构件均会发生疲劳损伤，因此在吊车梁等构件的设计中进行强度及稳定性设计外，还应进行抗疲劳设计。
6连接节点设计
门式刚架的基本构件如梁柱等由钢结构加工厂家在工厂内焊接制作完成，然后运到工地后再通过现场安装完成整体结构。因此钢结构的节点设计也是结构设计的重要环节，梁柱等基本构件拼接时采用现场焊接及螺栓连接等形式，连接节点设计不仅要计算构件拼接处的内力包络值进行强度设計，还应考虑节点处有足够的刚度可以确保传力也就是需要进行局部稳定性设计。钢结构柱脚也是重要的连接节点，主要将上部结构传递至下部的荷载由柱脚传递至下部基础内，主要有外露式、埋入式和外包式。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015明确了外露式柱脚锚栓可以抗剪，只有当柱底水平力大于其承载能力时需要设置柱脚抗剪键。这样不仅优化了钢结构的制作，更简化了混凝土基础的施工难度。设计时应注意规范的这些条文，不仅可以优化结构设计，更能节省造价提高施工效率
结语
门式钢结构厂房的设计过程是相对复杂的，不仅要保证结构安全还需要综合考虑建筑构造，使用需求，施工方法等。因此结构设计时应全面考虑，把握设计重点，合理设计，才能更好的发挥其经济价值和效益。
参考文献
[1] 陈绍蕃. 钢结构设计原理. 第三版 . 北京：科学出版社，2005.
[2] 沈祖炎等. 钢结构基本原理. 北京：中国建筑工业出版社，2000.
[3] GB50009-2012， 建筑结构荷载规范[S]
[4] GB50017-2017， 钢结构设计标准[S]
[5] GB51022-2015， 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S]
[6] GB50016-2014， 建筑设计防火规范[S]
[7] GB/T 50046-2018， 工业建筑防腐蚀设计标准[S]
关键词：门式刚架;钢结构;结构设计中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-03-275
1引言
随着我国近几年经济结构转型，大型仓储类厂房大量建设。轻型门式刚架因其轻便、经济和安装迅速等优越性被广泛使用，我国也于2016年实施《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015。因此如何经济合理的设计是轻钢结构设计的要点。
2门式刚架概述
门式刚架主要由多榀平面刚架结构用纵向支撑系统联成空间整体空间如图1。该结构形式受力明确，竖向荷载及横向水平荷载主要由平面刚架承担，纵向水平荷载由纵向支撑系统承受和传递。外部围护结构由屋面和墙面组成，屋面一般由屋面檩条和轻质屋面板组成，墙面则由墙梁及墙面板组成。除了以上主要构件的设计外还应根据建筑物的防火等级进行防火设计，选择相应的防火涂料及措施。海边、化学品存储仓库等应根据防腐蚀要求进行防腐蚀设计。
3平面刚架设计
平面刚架设计是门式刚架厂房设计的重点，由随屋面坡度的横梁和钢柱组成，根据厂房的使用要求可以确定钢架高度、跨度及钢梁坡度。为节省刚架自重及节约造价，屋面横梁一般设计成变截面梁，能更有效的利用构件截面。刚架设计应整体计算，根据竖向和水平荷载作用下的内力结果和规范的构造要求设计合理的梁柱截面，满足构件的强度及稳定性要求。平面刚架主要承受的竖向荷载有结构及围护构件自重、通风气楼、屋架悬挂的设备、屋面活荷载、吊车竖向荷载、雪荷载和屋面风荷载组成。横向水平荷载主要包括风荷载、吊车横向水平荷载、设备运行荷载及地震作用等。结构设计时还应考虑连接节点的设计及构造。由于厂房一般跨度大，考虑到钢构件的运输货车最大只能装载15m的构件，一般构件长度宜控制在15m以内。钢梁的拼接节点宜设置在弯矩及剪力包络图较小处，同时最好避开屋面纵向支撑系统的连接节点处。这样不仅使结构更合理，也可以相应的节省工程造价。
4纵向支撑系统
门式钢架在纵向应设置支撑系统。纵向支撑系统由屋面水平支撑、刚性系杆、及柱间支撑等构件组成，杆件计算模型以拉压杆件组成。纵向支撑系统可以传递钢架平面外受到由山墙传递来的风荷载、温度荷载、吊车的纵向荷载以及设备运行荷载的作用。还要通过合理设置系杆及支撑减少钢架横梁及钢柱的平面外计算长度从而满足钢架的平面外整体稳定。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015的规定，屋面水平支撑可以只考虑承受拉力作用。设计时按拉杆设计不仅可以简化计算，也能节省造价。对于跨度大，梁截面也大的门式钢架，宜采用水平刚性系杆来减少钢柱钢梁的平面外计算长度。檩条的隅撑则更适用于跨度小，梁截面相对较小处。对于有吊车梁的厂房，柱间支撑位于厂房或者伸缩缝两端处可仅设置吊车梁以上的柱间支撑，避免因温度荷载等的作用下端部支撑刚度过大引起的荷载集中。近几年物流类仓储厂房迅速发展，对车间内大空间使用要求也越来越高。柱间支撑的设置往往会影响到厂房内部运输通道，因此柱间支撑应选择合理的类型（见图2）和间距尤为重要，还应结合厂房的使用要求合理布置，有条件时应在设计方案初期确认位置。
5吊车梁设计
一般工业厂房内设备重体积大，安装运输及检修相对不便利，而采用起重吊车可解决使用中的这些问题。起重吊车一般由专业的吊车厂家制作，门式刚架结构应设计相应的轨道、吊车梁、车挡等构件，吊车梁为主要的受力构件直接承受吊车运动过程中传递来的吊车动荷载，计算模型为简支梁。起重吊车根据使用频率确定起重吨位后，可分为轻级、中级和重级工作制。在吊车荷载的反复作用下，吊车梁等直接承受动荷载的构件均会发生疲劳损伤，因此在吊车梁等构件的设计中进行强度及稳定性设计外，还应进行抗疲劳设计。
6连接节点设计
门式刚架的基本构件如梁柱等由钢结构加工厂家在工厂内焊接制作完成，然后运到工地后再通过现场安装完成整体结构。因此钢结构的节点设计也是结构设计的重要环节，梁柱等基本构件拼接时采用现场焊接及螺栓连接等形式，连接节点设计不仅要计算构件拼接处的内力包络值进行强度设計，还应考虑节点处有足够的刚度可以确保传力也就是需要进行局部稳定性设计。钢结构柱脚也是重要的连接节点，主要将上部结构传递至下部的荷载由柱脚传递至下部基础内，主要有外露式、埋入式和外包式。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015明确了外露式柱脚锚栓可以抗剪，只有当柱底水平力大于其承载能力时需要设置柱脚抗剪键。这样不仅优化了钢结构的制作，更简化了混凝土基础的施工难度。设计时应注意规范的这些条文，不仅可以优化结构设计，更能节省造价提高施工效率
结语
门式钢结构厂房的设计过程是相对复杂的，不仅要保证结构安全还需要综合考虑建筑构造，使用需求，施工方法等。因此结构设计时应全面考虑，把握设计重点，合理设计，才能更好的发挥其经济价值和效益。
参考文献
[1] 陈绍蕃. 钢结构设计原理. 第三版 . 北京：科学出版社，2005.
[2] 沈祖炎等. 钢结构基本原理. 北京：中国建筑工业出版社，2000.
[3] GB50009-2012， 建筑结构荷载规范[S]
[4] GB50017-2017， 钢结构设计标准[S]
[5] GB51022-2015， 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S]
[6] GB50016-2014， 建筑设计防火规范[S]
[7] GB/T 50046-2018， 工业建筑防腐蚀设计标准[S]