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摘 要：轻型门式刚架结构与传统钢结构相比具有很多优点，例如：造价低、质量轻、安装简易、施工过程短等优点，在工业厂房的设计中中得到越来越多的青睐。本文对近年来为业界越来越多使用的门式刚架结构设计进行了深入而广泛的探讨，并根据笔者的实践经验提出了 相关论述，仅供参考。
关键词：门式刚架结构 计算长度 荷载 刚接 铰接
前言
轻型钢结构是近半个世纪来，国内外应用与发展速度最快、使用最多的新型钢结构形式，被广泛应用于工业、民用和较大空间的公共建筑，除了具有传统钢结构的施工速度快、结构空间大等优点外，还具有钢材用量更少、建筑类型更自由、造价低廉等更大的综合优势。特别是近年来，钢结构在我国的迅猛发展，使得门式刚架结构体系作为一种有较大优势的轻型钢结构，在我国更是大量的设计和使用。近十几年来，我国彩色钢板的产量大大增加，与此同时焊接H型钢从出现，到广为使用，也不过十几年，这都为门式刚架的大量使用创造了客观的物质条件，目前，我国建成门式刚架结构工程已达上千万平方米，据不完全统计每年还在以几百万平方米的速度增加。
1、 屋面活荷载的确定
《钢结构设计规范》 （GB50017）作为门式刚架结构设计的主要依据，根据《钢结构设计规范》可知：不上人屋面的活荷载为0. 5kN/m2,如果构件的承受荷载面积大于60m2时，可以取面积折减系数0. 6，门式刚架上部的承载面积一般都大于60m2，基本都满足此条件，故设计时活荷载可取值为0.3 kN /m2，此种取值对于刚架的设计应该是没有问题的，但是全面考虑整个屋面结构，包括屋面檩条和屋面板，如果全部设计都按照0.3kN /m2取值，偏于冒险，我们参考了国外相关规范考虑到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷载。而笔者查阅相关的规范，包括：《钢结构设计规范》（GB50017）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）都未对此问题作出规定，据笔者所见现在有的框架梁过细，檩条过小，有明显克扣荷载的现象，如果遇到特殊的超载情况例如大风、大雪或其他原因，整个结构就会出现安全隐患，所以笔者还是建议活荷载取0. 5kN /m2。
2、结构力学设计方法及考虑抗震影响的设计
门式刚架由于其受力情况，一般都采用变截面结构设计，而变截面结构必须采用弹性分析方法确定各种内力（《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求），弹塑性分析方法仅在结构均为等截面构件时才使用。变截面门式刚架一般均采用平面结构分析内力，而不考虑应力蒙皮效应。由于单层门式刚架结构自重小，承载力一般不考虑地震作用效应组合，所以我们既可以认为不需进行抗震计算。但按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，对于宽度较大的刚架或竖向高度很大的刚架，或长度很大的纵向刚架，包括有夹层、吊重、桥式吊车等结构情况，则必须考虑地震作用效应，必须进行包括地震荷载作用的组合验算。笔者对不同情况进行了计算分析可知，对于单层门式刚架（无吊车），地震烈度考虑为6度至7度时，地震作用对门式刚架的设计没有任何影响；对于地震烈度为8度或更大时，同时考虑刚架的跨高比大于3.5，地震作用对门式刚架结构设计仍然没有任何影响；当刚架的跨高比设定为1.5~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起到较大作用，且跨高比为 1.5 时，地震作用的影响最大。
3、结构的优化设计
设计过程除了保证正常使用的安全外，还要最大可能的发挥出门式刚架轻型房屋结构的长处和优点。由于轻型钢结构构件在生产过程中任意性较大，轻质屋（墙）面的布置十分灵活。上述优点保证了门式刚架轻型房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。也就为我们设计者提出了保证设计合理化、结构安全化、降低投资造价等优化要求。
3.1.结构跨度的确定
厂房跨度往往由生产工艺流程和厂房使用功能等因素决定着，大部分投资方都会要求设计者按照自己的使用需要，确定经济合理的结构跨度。在满足使用者的生产工艺和使用功能的基础上，结构的高度是确定结构的跨度的较大影响因素。经过笔者比对演算，如果确定柱高及上部荷载，适当加大结构跨度，整体结构的用钢量并无较大程度增加，但是加大了可利用空间，降低了基础造价，取得了较大的综合效益。
经验算可知，设定檐高为6m、柱距为7.5m，且荷载情况完全相同时，跨度在18~30m范围内的刚架，单位面积用钢量（Q235B）为18~28kg/m2，当跨度在 21~48m范围内的刚架，单位用钢量为25~40kg/m2。但是，一旦跨度超过48m时尽量采用多跨刚架（且中间必须设置摇摆柱），其用钢量与单跨刚架比较，节约 18%左右，因此设计门式刚架时，必须根据具体情况、投资者的要求来选择合理跨度的刚架，而不宜盲目追求大空间、大跨度。
3.2.结构最优柱距的确定
刚架柱距的选择需考虑如下因素：1、刚架的跨度2、屋面荷载3、檩条形式，如果要求为较小刚架跨度，而选用了较大的柱距，会增加檩条使用量，加大了用钢量，这对业主而言是不负责任的。门式刚架存在着最优柱距范围，即门式刚架的柱距应设定在6m~9m之间，超过9m时屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加过多，没有达到减少造价的目的。
4、结构设计应给予重视的几种情况
4.1. 柱脚螺栓抗剪及抗拔
近年来，各地出现多起使用中的门式刚架轻钢房屋被大风将锚栓拔起，造成较严重的事故，所以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》明确规定，必须进行柱脚锚栓的抗拔验算。柱脚锚栓不能参加抗剪，水平反力应由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，超出时应设置抗剪键。
4.2. 隅撑设置
隅撑的作用是保证刚架在斜梁受压下翼缘和刚架柱受压翼缘出平面外稳定，是重要的控制构件稳定性的构件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处各设一道隅撑”，就是为了保证该处的稳定性。部分柱也应该设置隅撑，必须根据实际情况计算后设置，而当遇到较高柱时，必须分段后，验算平面外的稳定性。
4.3.柱间纵向支撑设置
部分多跨门式刚架轻钢房屋，往往只在边跨设置柱间支撑，却没有在中间柱列设置柱间支撑。为了保证使用的安全性，建议如果不能设置中跨柱间交叉支撑时，可设置人字支撑等其他形式的支撑，或采用纵向支撑。
5、结语
由于我国轻钢结构起步较晚，在理论和实践中与世界先进水平仍有较大差距，所以建议在设计中，对于门式刚架构件的截面尺寸需经多次试算才可确定。目前部分钢结构设计人员的设计经验还很少，选择的截面形式容易造成结构整体的应力不均，且经济指标不合理，甚至影响整体结构的安全度。因此为了保证安全、增加经济效益，必须要求相关设计人员进一步扭转我们的设计观念，以工程的设计质量为先，推动我国门式刚架轻型钢结构的向前发展。
参考文献：
[1]徐永明。浅谈轻型门式刚架结构设计[J]；工业建筑， 2008，38卷
[2]JTG D30-2004 GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[3]陈跃，高轩能，门式刚架优化设计方法研究；南昌大学学报(工科版) ，2003年 6 月第 25卷第 2 期
[4]周先祥,浅谈门式刚架的设计与应用[J]；芜湖职业技术学院学报2005年第7卷第2期
[5]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 （CECS 102：2002）
关键词：门式刚架结构 计算长度 荷载 刚接 铰接
前言
轻型钢结构是近半个世纪来，国内外应用与发展速度最快、使用最多的新型钢结构形式，被广泛应用于工业、民用和较大空间的公共建筑，除了具有传统钢结构的施工速度快、结构空间大等优点外，还具有钢材用量更少、建筑类型更自由、造价低廉等更大的综合优势。特别是近年来，钢结构在我国的迅猛发展，使得门式刚架结构体系作为一种有较大优势的轻型钢结构，在我国更是大量的设计和使用。近十几年来，我国彩色钢板的产量大大增加，与此同时焊接H型钢从出现，到广为使用，也不过十几年，这都为门式刚架的大量使用创造了客观的物质条件，目前，我国建成门式刚架结构工程已达上千万平方米，据不完全统计每年还在以几百万平方米的速度增加。
1、 屋面活荷载的确定
《钢结构设计规范》 （GB50017）作为门式刚架结构设计的主要依据，根据《钢结构设计规范》可知：不上人屋面的活荷载为0. 5kN/m2,如果构件的承受荷载面积大于60m2时，可以取面积折减系数0. 6，门式刚架上部的承载面积一般都大于60m2，基本都满足此条件，故设计时活荷载可取值为0.3 kN /m2，此种取值对于刚架的设计应该是没有问题的，但是全面考虑整个屋面结构，包括屋面檩条和屋面板，如果全部设计都按照0.3kN /m2取值，偏于冒险，我们参考了国外相关规范考虑到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷载。而笔者查阅相关的规范，包括：《钢结构设计规范》（GB50017）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）都未对此问题作出规定，据笔者所见现在有的框架梁过细，檩条过小，有明显克扣荷载的现象，如果遇到特殊的超载情况例如大风、大雪或其他原因，整个结构就会出现安全隐患，所以笔者还是建议活荷载取0. 5kN /m2。
2、结构力学设计方法及考虑抗震影响的设计
门式刚架由于其受力情况，一般都采用变截面结构设计，而变截面结构必须采用弹性分析方法确定各种内力（《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求），弹塑性分析方法仅在结构均为等截面构件时才使用。变截面门式刚架一般均采用平面结构分析内力，而不考虑应力蒙皮效应。由于单层门式刚架结构自重小，承载力一般不考虑地震作用效应组合，所以我们既可以认为不需进行抗震计算。但按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，对于宽度较大的刚架或竖向高度很大的刚架，或长度很大的纵向刚架，包括有夹层、吊重、桥式吊车等结构情况，则必须考虑地震作用效应，必须进行包括地震荷载作用的组合验算。笔者对不同情况进行了计算分析可知，对于单层门式刚架（无吊车），地震烈度考虑为6度至7度时，地震作用对门式刚架的设计没有任何影响；对于地震烈度为8度或更大时，同时考虑刚架的跨高比大于3.5，地震作用对门式刚架结构设计仍然没有任何影响；当刚架的跨高比设定为1.5~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起到较大作用，且跨高比为 1.5 时，地震作用的影响最大。
3、结构的优化设计
设计过程除了保证正常使用的安全外，还要最大可能的发挥出门式刚架轻型房屋结构的长处和优点。由于轻型钢结构构件在生产过程中任意性较大，轻质屋（墙）面的布置十分灵活。上述优点保证了门式刚架轻型房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。也就为我们设计者提出了保证设计合理化、结构安全化、降低投资造价等优化要求。
3.1.结构跨度的确定
厂房跨度往往由生产工艺流程和厂房使用功能等因素决定着，大部分投资方都会要求设计者按照自己的使用需要，确定经济合理的结构跨度。在满足使用者的生产工艺和使用功能的基础上，结构的高度是确定结构的跨度的较大影响因素。经过笔者比对演算，如果确定柱高及上部荷载，适当加大结构跨度，整体结构的用钢量并无较大程度增加，但是加大了可利用空间，降低了基础造价，取得了较大的综合效益。
经验算可知，设定檐高为6m、柱距为7.5m，且荷载情况完全相同时，跨度在18~30m范围内的刚架，单位面积用钢量（Q235B）为18~28kg/m2，当跨度在 21~48m范围内的刚架，单位用钢量为25~40kg/m2。但是，一旦跨度超过48m时尽量采用多跨刚架（且中间必须设置摇摆柱），其用钢量与单跨刚架比较，节约 18%左右，因此设计门式刚架时，必须根据具体情况、投资者的要求来选择合理跨度的刚架，而不宜盲目追求大空间、大跨度。
3.2.结构最优柱距的确定
刚架柱距的选择需考虑如下因素：1、刚架的跨度2、屋面荷载3、檩条形式，如果要求为较小刚架跨度，而选用了较大的柱距，会增加檩条使用量，加大了用钢量，这对业主而言是不负责任的。门式刚架存在着最优柱距范围，即门式刚架的柱距应设定在6m~9m之间，超过9m时屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加过多，没有达到减少造价的目的。
4、结构设计应给予重视的几种情况
4.1. 柱脚螺栓抗剪及抗拔
近年来，各地出现多起使用中的门式刚架轻钢房屋被大风将锚栓拔起，造成较严重的事故，所以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》明确规定，必须进行柱脚锚栓的抗拔验算。柱脚锚栓不能参加抗剪，水平反力应由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，超出时应设置抗剪键。
4.2. 隅撑设置
隅撑的作用是保证刚架在斜梁受压下翼缘和刚架柱受压翼缘出平面外稳定，是重要的控制构件稳定性的构件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处各设一道隅撑”，就是为了保证该处的稳定性。部分柱也应该设置隅撑，必须根据实际情况计算后设置，而当遇到较高柱时，必须分段后，验算平面外的稳定性。
4.3.柱间纵向支撑设置
部分多跨门式刚架轻钢房屋，往往只在边跨设置柱间支撑，却没有在中间柱列设置柱间支撑。为了保证使用的安全性，建议如果不能设置中跨柱间交叉支撑时，可设置人字支撑等其他形式的支撑，或采用纵向支撑。
5、结语
由于我国轻钢结构起步较晚，在理论和实践中与世界先进水平仍有较大差距，所以建议在设计中，对于门式刚架构件的截面尺寸需经多次试算才可确定。目前部分钢结构设计人员的设计经验还很少，选择的截面形式容易造成结构整体的应力不均，且经济指标不合理，甚至影响整体结构的安全度。因此为了保证安全、增加经济效益，必须要求相关设计人员进一步扭转我们的设计观念，以工程的设计质量为先，推动我国门式刚架轻型钢结构的向前发展。
参考文献：
[1]徐永明。浅谈轻型门式刚架结构设计[J]；工业建筑， 2008，38卷
[2]JTG D30-2004 GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[3]陈跃，高轩能，门式刚架优化设计方法研究；南昌大学学报(工科版) ，2003年 6 月第 25卷第 2 期
[4]周先祥,浅谈门式刚架的设计与应用[J]；芜湖职业技术学院学报2005年第7卷第2期
[5]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 （CECS 102：2002）