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摘要：轻钢结构门式钢架在工业建筑与民用建筑中的应用日趋广泛。讨论了门式钢架设计时荷载取值、屋盖铰接问题、节点构造及屋面构造，并主要讨论了钢梁设计计算时应注意的细节问题。
关键词：门式钢架、钢梁、设计
中图分类号：S611文献标识码： A
所谓轻钢结构门式钢架通常是指由冷弯薄壁型钢结构、热轧轻型钢结构、焊接或高频焊接轻型钢结构、轻型钢管结构、板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。具有施工周期短、抗震性能好、 宜于拆卸搬迁、综合经济效益好等优点。正是由于门式钢架轻型房屋的诸多优点，而且随着近年来防火防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
门式钢架轻型房屋的基本计算理论和普通钢结构基本相同，设计的主要依据为《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）和《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：202），以下仅对门市钢架中钢梁设计的若干问题进行探讨。
1、截面形式
钢架梁、柱按截面类型可分为实腹式钢架及格构式钢架，前者梁、柱一般采用 U 型实腹截面，其刚度较强，但其用钢量稍多；后者一般采用小截面角钢、钢管等构件组合的格构式梁、柱截面，其加工制作较为复杂，但用钢量较省，适用于大跨度钢架。此外，钢架梁柱截面亦可采用蜂窝梁、蜂窝柱等空腹结构，但实际应用尚不多。
2、屋面活荷载的取值
对于屋面结构荷载及荷载组合中的永久荷载，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，如屋面、檩条、支撑、吊顶等；可变荷载则包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1kN）、屋面雪荷载和积灰荷载、风荷载等。荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2012）的规定，针对门式钢架的特点，规范给出下列组合原则：不上人的屋面均布活荷载可不与雪荷载和风荷载同时组合；积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑；多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。但对于支撑轻钢屋面的构件和结构的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60 m2，屋面均布活荷载标准值应取0.3kN/ m2，国外这类房屋设计时，要考虑0.15～0.5N/ m2的附加荷载，我国无此规定，遇到大风或其他原因造成超载很容易出现安全问题，因此屋面活荷载的取值不能再小。
3、屋盖铰接问题
对于混凝土柱子、钢结构屋盖形式的厂房设计中，有时会出现设计人员把钢梁与混凝土柱连接位置采用钢接进行计算的情况，但实际施工后的受力却做不到真正意义上的钢接，这给结构安全造成了很大的隐患。所以在计算时，屋面的钢梁与混凝土柱面应该设置成铰接进行计算。
4、设计计算时应注意的细节
门式钢架的梁柱多采用变截面杆件，以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，所以门式钢架一般按弹性理论设计。
4.1. 稳定性
由于门式刚架屋面梁是以斜梁的形式存在，其受到屋面竖向荷载并产生弯矩的同时也会产生一个水平力传到支座，在支座水平反力的作用下，其受力模型与普通的水平梁有所不同，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求：(1)当屋面坡度较大时，轴力对稳定性的影响在刚架平面内外都不能忽视。(2)当屋面坡度较小时（一般<=10%），在刚架平面内按压弯构件计算其强度。实际工作中，我们使用比较频繁的门式刚架一般为跨度较大而屋面坡度较小，其平面内的稳定性计算仍不可忽略，所以，在采用计算软件计算门式刚架时，一定要计算平面内稳定性，以免造成刚架斜梁受压失稳破坏的事故。
4.2. 计算长度
当斜梁轴力较小时，在刚架平面内的计算长度可近似取竖向支承点间的距离。对于平面外计算长度，原则上为侧向支撑点的距离。钢梁上下翼缘的约束一般有：①屋面板和檩条对上翼缘的约束作用；②隅撑与檩条共同对下翼缘的作用；③屋面系杆支撑系统的约束作用。但计算时应是取受压翼缘侧向支撑点的最大距离。当钢架梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑（端部仅布置在一侧）作为钢架梁的侧向支撑。计算时，一般是以隅撑的设置作为钢梁平面外的计算长度，而不是取檩条的间距。隅撑的位置设置是根据钢梁平面外计算长度进行设置的，但有些设计人员把钢梁平面外计算长度定义为3m，但施工图却把隅撑省去，造成了钢梁平面外不稳定的安全问题。
4.3. 挠度
门式钢架技术规程规定，门式刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条时，构件的竖向挠度限值为L/180，有吊顶时为L/240，有悬挂起重机时取L/400(L为构件的跨度)。当轻型钢结构厂房结构设计跨度较大时，在一定设计荷载情况下，构件的截面大小一般是由挠度值控制。有些设计人员认为设计强度满足结构要求就可以了，而忽略了对挠度的控制。实际上梁挠度太大会影响建筑物的正常使用。对于排水坡度较小的屋面，挠度过大还会造成屋面积水，甚至出现漏水现象，甚至雨水还渗进保温绵，加大了屋面的荷载，给结构安全造成了隐患。对于跨度比较大，挠度较难控制的钢架，可采用加设摇摆柱的方法，使挠度不至于起到控制作用，减少钢梁因挠度控制而产生的截面过大问题。
4.4. 高厚比
门式钢架全钢结构厂房设计中，通常檐口位置或与钢柱连接位置弯矩较大,钢梁做成變截面钢梁。对于这样的变截面斜梁，设计过程中有时会出现高厚比超限的问题，这需要设计人员对结构计算结果进行检查。若腹板高度变化超过60mm/m，按不考虑利用受剪板幅屈曲后强度来控制腹板高度比。出现这种情况可采用以下解决方法：(1)调整构件端部高度，对于梁还可以调整变截面长度，尽量不超过60mm/m的要求；(2)通过设置构件腹板横向加劲肋，这样可以提高不考虑屈曲后强度的容许高厚比也可以提高；(3)采用增加腹板厚度来满足高厚比的要求，但这样用钢量可能会增加较多。
5、钢架梁柱的节点构造设计
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对称布置在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧，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。当端板上两对螺栓间的最大距离大于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。
6、屋面构造
轻钢门式钢架厂房中屋面及墙面构造措施是增大钢架刚度，防止钢架平面外失稳的关键措施。檩条、墙梁一般由冷弯薄壁构件制成，当柱距小于6m时，设一道拉条，柱距大于6m时，设两道拉条。在这里应特别提到斜拉条，根据结构力学知识，在斜拉条间设置撑杆，方可形成稳定体系，有许多钢结构厂家或设计者设斜拉条而不设撑杆是不正确的。
在屋面、墙面设计中还应注意隅撑布置，隅撑不是可有可无，它是为防止受压翼缘屈曲而设置的。研究表明，门式钢架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的，斜梁下翼缘与钢架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位，该处设隅撑十分重要。另外，《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中规定：在斜梁下翼缘受压区亦设置隅撑，其间距不得大于相应受压翼缘宽度的0.5倍。一般的门式钢架，檩距为1500mm左右时，隔一个檩条设一道隅撑可满足上述条件。
7、结语
轻钢结构门式钢架在我国建筑物中的应用比较广泛，技术日趋于成熟。但是还有许多问题需要进一步地解决。应该充分地对其设计进行分析和规范，从而能够提高设计的经济性和安全性，提高门式钢架的市场竞争力。
参考文献：
[1]：邱孝朗. 轻型钢结构门式刚架厂房结构设计探讨[J]. 中国高新技术企业，2011.10:32-33.
[2]：张宜辉. 浅谈轻钢结构门式钢架的设计体会 [J]. 四川建材，2011.5:36-37.
[3]：林攀举. 浅谈门式钢架轻型房屋钢结构设计 [J]. 建筑科学，2011.21:73.
[4]：曾庆强. 浅谈单层轻型门式钢架设计和施工 [J]. 石河子科技，2011.4:64-65.
[5]：陈伟. 门式钢架轻型房屋刚结构在实际应用中应注意的问题[J]. 泸天化科技，2012.2:109-114.
关键词：门式钢架、钢梁、设计
中图分类号：S611文献标识码： A
所谓轻钢结构门式钢架通常是指由冷弯薄壁型钢结构、热轧轻型钢结构、焊接或高频焊接轻型钢结构、轻型钢管结构、板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。具有施工周期短、抗震性能好、 宜于拆卸搬迁、综合经济效益好等优点。正是由于门式钢架轻型房屋的诸多优点，而且随着近年来防火防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
门式钢架轻型房屋的基本计算理论和普通钢结构基本相同，设计的主要依据为《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）和《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：202），以下仅对门市钢架中钢梁设计的若干问题进行探讨。
1、截面形式
钢架梁、柱按截面类型可分为实腹式钢架及格构式钢架，前者梁、柱一般采用 U 型实腹截面，其刚度较强，但其用钢量稍多；后者一般采用小截面角钢、钢管等构件组合的格构式梁、柱截面，其加工制作较为复杂，但用钢量较省，适用于大跨度钢架。此外，钢架梁柱截面亦可采用蜂窝梁、蜂窝柱等空腹结构，但实际应用尚不多。
2、屋面活荷载的取值
对于屋面结构荷载及荷载组合中的永久荷载，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，如屋面、檩条、支撑、吊顶等；可变荷载则包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1kN）、屋面雪荷载和积灰荷载、风荷载等。荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2012）的规定，针对门式钢架的特点，规范给出下列组合原则：不上人的屋面均布活荷载可不与雪荷载和风荷载同时组合；积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均布活荷载两者中的较大值同时考虑；多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定；当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。但对于支撑轻钢屋面的构件和结构的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60 m2，屋面均布活荷载标准值应取0.3kN/ m2，国外这类房屋设计时，要考虑0.15～0.5N/ m2的附加荷载，我国无此规定，遇到大风或其他原因造成超载很容易出现安全问题，因此屋面活荷载的取值不能再小。
3、屋盖铰接问题
对于混凝土柱子、钢结构屋盖形式的厂房设计中，有时会出现设计人员把钢梁与混凝土柱连接位置采用钢接进行计算的情况，但实际施工后的受力却做不到真正意义上的钢接，这给结构安全造成了很大的隐患。所以在计算时，屋面的钢梁与混凝土柱面应该设置成铰接进行计算。
4、设计计算时应注意的细节
门式钢架的梁柱多采用变截面杆件，以构件边缘最大压应力达到钢材屈服点作为临界状态，没有考虑塑性发展的影响，所以门式钢架一般按弹性理论设计。
4.1. 稳定性
由于门式刚架屋面梁是以斜梁的形式存在，其受到屋面竖向荷载并产生弯矩的同时也会产生一个水平力传到支座，在支座水平反力的作用下，其受力模型与普通的水平梁有所不同，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求：(1)当屋面坡度较大时，轴力对稳定性的影响在刚架平面内外都不能忽视。(2)当屋面坡度较小时（一般<=10%），在刚架平面内按压弯构件计算其强度。实际工作中，我们使用比较频繁的门式刚架一般为跨度较大而屋面坡度较小，其平面内的稳定性计算仍不可忽略，所以，在采用计算软件计算门式刚架时，一定要计算平面内稳定性，以免造成刚架斜梁受压失稳破坏的事故。
4.2. 计算长度
当斜梁轴力较小时，在刚架平面内的计算长度可近似取竖向支承点间的距离。对于平面外计算长度，原则上为侧向支撑点的距离。钢梁上下翼缘的约束一般有：①屋面板和檩条对上翼缘的约束作用；②隅撑与檩条共同对下翼缘的作用；③屋面系杆支撑系统的约束作用。但计算时应是取受压翼缘侧向支撑点的最大距离。当钢架梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘的两侧布置隅撑（端部仅布置在一侧）作为钢架梁的侧向支撑。计算时，一般是以隅撑的设置作为钢梁平面外的计算长度，而不是取檩条的间距。隅撑的位置设置是根据钢梁平面外计算长度进行设置的，但有些设计人员把钢梁平面外计算长度定义为3m，但施工图却把隅撑省去，造成了钢梁平面外不稳定的安全问题。
4.3. 挠度
门式钢架技术规程规定，门式刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条时，构件的竖向挠度限值为L/180，有吊顶时为L/240，有悬挂起重机时取L/400(L为构件的跨度)。当轻型钢结构厂房结构设计跨度较大时，在一定设计荷载情况下，构件的截面大小一般是由挠度值控制。有些设计人员认为设计强度满足结构要求就可以了，而忽略了对挠度的控制。实际上梁挠度太大会影响建筑物的正常使用。对于排水坡度较小的屋面，挠度过大还会造成屋面积水，甚至出现漏水现象，甚至雨水还渗进保温绵，加大了屋面的荷载，给结构安全造成了隐患。对于跨度比较大，挠度较难控制的钢架，可采用加设摇摆柱的方法，使挠度不至于起到控制作用，减少钢梁因挠度控制而产生的截面过大问题。
4.4. 高厚比
门式钢架全钢结构厂房设计中，通常檐口位置或与钢柱连接位置弯矩较大,钢梁做成變截面钢梁。对于这样的变截面斜梁，设计过程中有时会出现高厚比超限的问题，这需要设计人员对结构计算结果进行检查。若腹板高度变化超过60mm/m，按不考虑利用受剪板幅屈曲后强度来控制腹板高度比。出现这种情况可采用以下解决方法：(1)调整构件端部高度，对于梁还可以调整变截面长度，尽量不超过60mm/m的要求；(2)通过设置构件腹板横向加劲肋，这样可以提高不考虑屈曲后强度的容许高厚比也可以提高；(3)采用增加腹板厚度来满足高厚比的要求，但这样用钢量可能会增加较多。
5、钢架梁柱的节点构造设计
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对称布置在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧，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。当端板上两对螺栓间的最大距离大于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。
6、屋面构造
轻钢门式钢架厂房中屋面及墙面构造措施是增大钢架刚度，防止钢架平面外失稳的关键措施。檩条、墙梁一般由冷弯薄壁构件制成，当柱距小于6m时，设一道拉条，柱距大于6m时，设两道拉条。在这里应特别提到斜拉条，根据结构力学知识，在斜拉条间设置撑杆，方可形成稳定体系，有许多钢结构厂家或设计者设斜拉条而不设撑杆是不正确的。
在屋面、墙面设计中还应注意隅撑布置，隅撑不是可有可无，它是为防止受压翼缘屈曲而设置的。研究表明，门式钢架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的，斜梁下翼缘与钢架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位，该处设隅撑十分重要。另外，《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中规定：在斜梁下翼缘受压区亦设置隅撑，其间距不得大于相应受压翼缘宽度的0.5倍。一般的门式钢架，檩距为1500mm左右时，隔一个檩条设一道隅撑可满足上述条件。
7、结语
轻钢结构门式钢架在我国建筑物中的应用比较广泛，技术日趋于成熟。但是还有许多问题需要进一步地解决。应该充分地对其设计进行分析和规范，从而能够提高设计的经济性和安全性，提高门式钢架的市场竞争力。
参考文献：
[1]：邱孝朗. 轻型钢结构门式刚架厂房结构设计探讨[J]. 中国高新技术企业，2011.10:32-33.
[2]：张宜辉. 浅谈轻钢结构门式钢架的设计体会 [J]. 四川建材，2011.5:36-37.
[3]：林攀举. 浅谈门式钢架轻型房屋钢结构设计 [J]. 建筑科学，2011.21:73.
[4]：曾庆强. 浅谈单层轻型门式钢架设计和施工 [J]. 石河子科技，2011.4:64-65.
[5]：陈伟. 门式钢架轻型房屋刚结构在实际应用中应注意的问题[J]. 泸天化科技，2012.2:109-114.