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摘要：文章依托钢结构设计的经验，结合轻型门式钢架厂房，对轻型门式钢架厂房结构设计的特点进行了概述与分析，指出了轻型门式钢架结构设计要点，以及设计过程中应注意的事项，以提高轻型门式钢架厂房结构设计的经济性和安全性。
关键词：轻型门式钢架；厂房结构设计；节点设计；支撑构架设计
中图分类号：TU392 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)28-0032-02
轻型门式钢架采用轻型屋面，结构屋面荷载较轻，可减小梁柱等构件的截面及基础尺寸。同时，钢结构的白重较轻、材方便、用料较省、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便等优点，使得轻型门式钢架在厂房结构中得到了广泛的应用。为此，本文对轻型钢结构门式刚架厂房结构设计进行了简要的探讨。
一、门式钢架结构平面布置
(一)温度区段长度
门式刚架轻型房屋的屋面和外墙采用压型钢板时，其温度区段长度(伸缩缝间距)可适当放宽。一般门式刚架轻型房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于300m，横向温度区段长度不大于150m。当需要设置伸缩缝时，可在搭接凛条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许胀缩；或者设置双柱。吊车梁与柱的连接处也沿纵向采用长圆孔。
(二)结构构件布置
在多跨刚架局部抽掉中间柱或边柱处，可布置托架梁或托架。屋面檩条的形式和布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料和檩条供货规格等因素的影响；屋面压型钢板的板型、厚度与檩条间距和屋面荷载有关，应根据计算确定。山墙处可设置由斜梁、抗风柱和墙梁及其支撑组成的山墙墙架，或直接采用门式刚架。
(三)墙架布置
门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，在采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距随墙板板型及规格而定，但不应大于计算确定的值。当抗震设防烈度不高于6度时，房屋的外墙可采用轻质钢板墙或砌体；当为7度、8度时，不宜采用嵌砌砌体；9度时宜采用轻质钢板墙或与柱柔性连接的轻质墙板。
(四)支撑布置
门式刚架结构需要采用各种可靠的支撑结构以加强结构的整体和局部稳定性及力的可靠传递。门式刚架结构应在其横梁顶面设置横向水平支撑，在刚架柱问设置柱问支撑。在每个温度区段或者分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。柱问支撑的问距应根据房屋纵向柱距、受力条件和安装条件确定，当无吊车时宜取30～45m，当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且问距不宜大于60m。房屋高度较大时，柱问支撑要分层设置。在设置柱问支撑的开问应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系。当门式刚架采用按受力蒙皮结构设计的压型钢板屋面、墙面时，刚架横梁不可设置纵、横向水平支撑，刚架柱可不设柱问支撑。
端部支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个开问。当设置在第二个开问时，在第一开问的相应位置宜设置刚性系杆。刚架转折处(如柱顶和屋脊)宜设置通长的刚性系杆。
由支撑斜杆等组成的水平朽架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑，也可由檩条兼作；但此时檩条应满足压弯构件的刚度和承载力的要求。若刚度或承载力不足，可在刚架斜梁问设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。门式刚架结构的支撑，宜采用张紧的十字交叉圆钢组成。圆钢与构件的夹角应在30°～60°范围内。圆钢端部都应由丝扣校正定位后将拉条张紧固定。
二、门式钢架构件设计
(一)刚架设计
1.内力计算。对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法，但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时通常把刚架当作平面结构对待，一般不考虑蒙皮效应，只是把它当作安全储备。
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)编制程序上机计算。计算时将变截面的梁、柱构件分为若干段，每段的几何特性当作常量，也可采用楔形单元。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。当需要手算校核时可采用一般结构力学方法(如力法、位移法、弯矩分配法等)进行。
2.侧移计算。变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。侧移计算可以和内力分析一样在计算机上进行。《规程》给出柱顶侧移的简化公式，可以在初选构件截面时估算侧移刚度，以免因刚度不足而需要重新调整构件截面。
(二)墙梁设计
墙梁的截面形式墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边z形钢。墙梁在其白重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。墙板常做成落地式并与基础相连，墙板的重力直接传至基础，故墙梁的最大刚度平面在水平方向。当采用卷边槽形截面墙梁时，为便于墙梁与刚架柱的连接而把槽口向上放置，单窗框下沿的墙梁则需槽口向下放置。
墙梁应尽量等问距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为了减少竖向荷载产生的效应，减少墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱，设置原则和檩条相同。墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁，前者运输方便，节点构造相对简单，后者受力合理，节省材料。
(三)支撑构件的设计
门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。刚架柱问支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载(如有吊车，还应计入吊车纵向制动力)按支承于柱脚上的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减小计算长度而应承受的力，对交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱问支撑时，纵向力在支撑问可平均分配。支撑杆件中，拉杆可采用圆钢制作，用特制的连接件与梁、柱腹板相连，并应以花兰螺丝张紧。压杆宜采用双角钢组成的T形截面或十字形截面，按压杆设计的刚性系杆也可采用圆管截面。
三、节点设计
门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件边缘垂直。
端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，应按能承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计。主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，吊车梁与制动梁的连接宜采用摩擦型高强度螺栓，通常选用M16～M24。吊车梁与刚架连接处宜设长圆孔。檩条与刚架斜梁以及墙梁与柱的连接常采用M12普通螺栓。
端板连接的螺栓应成对地对称布置，在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置并使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。螺栓中心至翼缘板表面的距离应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。门式刚架受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取75mm，且不小于3倍孔径。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。当端板上两对螺栓问的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强度。
四、结论
本人通过结合笔者从事轻型门式钢架厂房设计的工作经验，对轻型门式钢架厂房结构设计的特点进行分析，提出轻型门式钢架结构设计要点以及设计过程中应注意的事项，以提高轻型门式钢架厂房结构设计的经济性和安全性。
(责任编辑：周加转)
关键词：轻型门式钢架；厂房结构设计；节点设计；支撑构架设计
中图分类号：TU392 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)28-0032-02
轻型门式钢架采用轻型屋面，结构屋面荷载较轻，可减小梁柱等构件的截面及基础尺寸。同时，钢结构的白重较轻、材方便、用料较省、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便等优点，使得轻型门式钢架在厂房结构中得到了广泛的应用。为此，本文对轻型钢结构门式刚架厂房结构设计进行了简要的探讨。
一、门式钢架结构平面布置
(一)温度区段长度
门式刚架轻型房屋的屋面和外墙采用压型钢板时，其温度区段长度(伸缩缝间距)可适当放宽。一般门式刚架轻型房屋钢结构的纵向温度区段长度不大于300m，横向温度区段长度不大于150m。当需要设置伸缩缝时，可在搭接凛条的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板在构造上允许胀缩；或者设置双柱。吊车梁与柱的连接处也沿纵向采用长圆孔。
(二)结构构件布置
在多跨刚架局部抽掉中间柱或边柱处，可布置托架梁或托架。屋面檩条的形式和布置，应考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料和檩条供货规格等因素的影响；屋面压型钢板的板型、厚度与檩条间距和屋面荷载有关，应根据计算确定。山墙处可设置由斜梁、抗风柱和墙梁及其支撑组成的山墙墙架，或直接采用门式刚架。
(三)墙架布置
门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，在采用压型钢板作围护面时，墙梁宜布置在刚架柱的外侧，其间距随墙板板型及规格而定，但不应大于计算确定的值。当抗震设防烈度不高于6度时，房屋的外墙可采用轻质钢板墙或砌体；当为7度、8度时，不宜采用嵌砌砌体；9度时宜采用轻质钢板墙或与柱柔性连接的轻质墙板。
(四)支撑布置
门式刚架结构需要采用各种可靠的支撑结构以加强结构的整体和局部稳定性及力的可靠传递。门式刚架结构应在其横梁顶面设置横向水平支撑，在刚架柱问设置柱问支撑。在每个温度区段或者分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。柱问支撑的问距应根据房屋纵向柱距、受力条件和安装条件确定，当无吊车时宜取30～45m，当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且问距不宜大于60m。房屋高度较大时，柱问支撑要分层设置。在设置柱问支撑的开问应同时设置屋盖横向支撑以组成几何不变体系。当门式刚架采用按受力蒙皮结构设计的压型钢板屋面、墙面时，刚架横梁不可设置纵、横向水平支撑，刚架柱可不设柱问支撑。
端部支撑宜设在温度区段端部的第一个或第二个开问。当设置在第二个开问时，在第一开问的相应位置宜设置刚性系杆。刚架转折处(如柱顶和屋脊)宜设置通长的刚性系杆。
由支撑斜杆等组成的水平朽架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑，也可由檩条兼作；但此时檩条应满足压弯构件的刚度和承载力的要求。若刚度或承载力不足，可在刚架斜梁问设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。门式刚架结构的支撑，宜采用张紧的十字交叉圆钢组成。圆钢与构件的夹角应在30°～60°范围内。圆钢端部都应由丝扣校正定位后将拉条张紧固定。
二、门式钢架构件设计
(一)刚架设计
1.内力计算。对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法，但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时通常把刚架当作平面结构对待，一般不考虑蒙皮效应，只是把它当作安全储备。
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)编制程序上机计算。计算时将变截面的梁、柱构件分为若干段，每段的几何特性当作常量，也可采用楔形单元。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。当需要手算校核时可采用一般结构力学方法(如力法、位移法、弯矩分配法等)进行。
2.侧移计算。变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定。计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。侧移计算可以和内力分析一样在计算机上进行。《规程》给出柱顶侧移的简化公式，可以在初选构件截面时估算侧移刚度，以免因刚度不足而需要重新调整构件截面。
(二)墙梁设计
墙梁的截面形式墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边z形钢。墙梁在其白重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。墙板常做成落地式并与基础相连，墙板的重力直接传至基础，故墙梁的最大刚度平面在水平方向。当采用卷边槽形截面墙梁时，为便于墙梁与刚架柱的连接而把槽口向上放置，单窗框下沿的墙梁则需槽口向下放置。
墙梁应尽量等问距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为了减少竖向荷载产生的效应，减少墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱，设置原则和檩条相同。墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁，前者运输方便，节点构造相对简单，后者受力合理，节省材料。
(三)支撑构件的设计
门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。刚架柱问支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载(如有吊车，还应计入吊车纵向制动力)按支承于柱脚上的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减小计算长度而应承受的力，对交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱问支撑时，纵向力在支撑问可平均分配。支撑杆件中，拉杆可采用圆钢制作，用特制的连接件与梁、柱腹板相连，并应以花兰螺丝张紧。压杆宜采用双角钢组成的T形截面或十字形截面，按压杆设计的刚性系杆也可采用圆管截面。
三、节点设计
门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件边缘垂直。
端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，应按能承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计。主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，吊车梁与制动梁的连接宜采用摩擦型高强度螺栓，通常选用M16～M24。吊车梁与刚架连接处宜设长圆孔。檩条与刚架斜梁以及墙梁与柱的连接常采用M12普通螺栓。
端板连接的螺栓应成对地对称布置，在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置并使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。螺栓中心至翼缘板表面的距离应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。门式刚架受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取75mm，且不小于3倍孔径。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。当端板上两对螺栓问的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强度。
四、结论
本人通过结合笔者从事轻型门式钢架厂房设计的工作经验，对轻型门式钢架厂房结构设计的特点进行分析，提出轻型门式钢架结构设计要点以及设计过程中应注意的事项，以提高轻型门式钢架厂房结构设计的经济性和安全性。
(责任编辑：周加转)