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摘 要：文中介绍了门式刚架厂房结构设计，结合具体工程对门式刚架进行了分析并对用钢量进行了分析比较。
关键词：门式刚架；轻钢结构；用钢量
轻型门式刚架房屋结构在我国的应用始于20世纪80年代初期。近三十多年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢建筑工程，由于单层轻型门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有：质量轻，工业化程度高，施工周期短，综合经济效益高，柱网布置比较灵活等特点所以被广泛应用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。
在目前的工程中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
现对轻钢门式刚架设计进行简要介绍：
1 结构形式和结构布置
门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/8～1/20。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。
2 刚架设计
2.1 荷 载
（1）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、墙面构件和刚架自重等。
（2）可变荷载：包括屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。
2.2 荷载组合
荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002给出了组合原则。
2.3 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。
2.4 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。
2.5 刚架柱和梁的设计
（1）梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用。刚架梁柱构件的强度验算。
（2）变截面柱在刚架平面内的计算长度确定，整体稳定计算。
（3）变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算。
（4）节点设计。
3 檩条设计
檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。
4 墙梁、支撑设计
（1）墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是雙向受弯构件。
（2）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。
5 结合具体工程对门式刚架进行分析
5.1 工程概况
某厂主厂房为六连跨门式刚架结构，厂房长度147m，跨度为1×27+5×24m，建筑面积1.96万m2。吊车轨顶标高为6.900m，檐口最高处14.160。柱脚采用刚接，主刚架采用焊接H型钢，Q345B级。屋面坡度采用1/20。地震设防烈度7度，地震加速度0.1g，屋面及墙面采用C型檩条，计算软件采用钢结构STS软件。
5.2 上部结构设计
本工程跨度为1×27m+5×24m，柱距6m，中级工作制吊车（吊车参数见表1），共有22榀固接的门式刚架，为保证吊车正常运转，厂房稳定，满足位移变形要求加设吊车梁隅撑，全长132m，不设伸缩缝，墙体采用压型钢板。跨度27m吊车起重量20/5t，最大轮压230kN，最小轮压80kN，吊车起重量，1t，最大轮压149kN，最小轮压41kN；跨度24m吊车起重量10t，最大轮压136kN，最小轮压34kN。
荷载
永久荷载标准值
压型钢板及檩条 0.3kN/m2
可变荷载标准值
屋面活荷载 0.3kN/m2
雪荷载 0.5kN/m2
风荷载 0.55kN/m2
吊车荷载计算通过PKPM自动计算，刚架采用pkpm软件进行结构分析后得出结果。
5.3 抗震措施
工程地处设防烈度7度区，房屋自重小，承载力不受地震作用效应组合控制，可不进行抗震计算。仅针对轻钢结构的特点采取抗震构造措施。
构件之间的连接均采用螺栓连接，斜梁下翼缘与刚架柱的连接均加腋，柱脚底板设抗剪键，增设吊车制动支撑。
5.4 用钢量统计
单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10～30kg/m2，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的刚架单位用钢量（Q235B）为18～28kg/m2，当跨度在21～48m之间的刚架单位用钢量为25～40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度。同时柱距的选择也会影响用钢量，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式刚架存在着一最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：
综上所述，一般情况下，门式刚架的间距应在6～9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。
6 结 语
轻型门式刚架结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。但是，我国轻钢结构毕竟起步较晚，在理论与实践中与国外尚有很大差距，在实际工程设计中，由于门架变截面件的截面尺寸需要经过多次试算才能确定，加之目前设计人员的设计经验还不够丰富，杆件截面的选择也不尽合理，容易造成整体结构各杆件应力不均，不仅经济指标不够理想，而且整体结构的安全度也不高，为了安全、经济地设计门式刚架，还需要设计人员进一步研究我们的设计观念和存在问题，确保工程的设计质量，推动门式刚架轻型钢结构的进一步发展。同时，在工程设计中在满足规范要求的前提下采用何种结构布置形式和结构分析方法能构降低钢材用量，使结构受力更合理，投资更经济也是我们以后需要进一步研究的问题。
参考文献
[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）.
[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）.
[3]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）.
关键词：门式刚架；轻钢结构；用钢量
轻型门式刚架房屋结构在我国的应用始于20世纪80年代初期。近三十多年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢建筑工程，由于单层轻型门式刚架结构相对于钢筋混凝土结构具有：质量轻，工业化程度高，施工周期短，综合经济效益高，柱网布置比较灵活等特点所以被广泛应用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。
在目前的工程中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
现对轻钢门式刚架设计进行简要介绍：
1 结构形式和结构布置
门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/8～1/20。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。
2 刚架设计
2.1 荷 载
（1）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、墙面构件和刚架自重等。
（2）可变荷载：包括屋面活荷载、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。
2.2 荷载组合
荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002给出了组合原则。
2.3 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。
2.4 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。
2.5 刚架柱和梁的设计
（1）梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用。刚架梁柱构件的强度验算。
（2）变截面柱在刚架平面内的计算长度确定，整体稳定计算。
（3）变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算。
（4）节点设计。
3 檩条设计
檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。
4 墙梁、支撑设计
（1）墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是雙向受弯构件。
（2）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。
5 结合具体工程对门式刚架进行分析
5.1 工程概况
某厂主厂房为六连跨门式刚架结构，厂房长度147m，跨度为1×27+5×24m，建筑面积1.96万m2。吊车轨顶标高为6.900m，檐口最高处14.160。柱脚采用刚接，主刚架采用焊接H型钢，Q345B级。屋面坡度采用1/20。地震设防烈度7度，地震加速度0.1g，屋面及墙面采用C型檩条，计算软件采用钢结构STS软件。
5.2 上部结构设计
本工程跨度为1×27m+5×24m，柱距6m，中级工作制吊车（吊车参数见表1），共有22榀固接的门式刚架，为保证吊车正常运转，厂房稳定，满足位移变形要求加设吊车梁隅撑，全长132m，不设伸缩缝，墙体采用压型钢板。跨度27m吊车起重量20/5t，最大轮压230kN，最小轮压80kN，吊车起重量，1t，最大轮压149kN，最小轮压41kN；跨度24m吊车起重量10t，最大轮压136kN，最小轮压34kN。
荷载
永久荷载标准值
压型钢板及檩条 0.3kN/m2
可变荷载标准值
屋面活荷载 0.3kN/m2
雪荷载 0.5kN/m2
风荷载 0.55kN/m2
吊车荷载计算通过PKPM自动计算，刚架采用pkpm软件进行结构分析后得出结果。
5.3 抗震措施
工程地处设防烈度7度区，房屋自重小，承载力不受地震作用效应组合控制，可不进行抗震计算。仅针对轻钢结构的特点采取抗震构造措施。
构件之间的连接均采用螺栓连接，斜梁下翼缘与刚架柱的连接均加腋，柱脚底板设抗剪键，增设吊车制动支撑。
5.4 用钢量统计
单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10～30kg/m2，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的刚架单位用钢量（Q235B）为18～28kg/m2，当跨度在21～48m之间的刚架单位用钢量为25～40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约18%左右，因此设计门式刚架时应根据具体要求选择较为经济的跨度。同时柱距的选择也会影响用钢量，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式刚架存在着一最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：
综上所述，一般情况下，门式刚架的间距应在6～9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。
6 结 语
轻型门式刚架结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。但是，我国轻钢结构毕竟起步较晚，在理论与实践中与国外尚有很大差距，在实际工程设计中，由于门架变截面件的截面尺寸需要经过多次试算才能确定，加之目前设计人员的设计经验还不够丰富，杆件截面的选择也不尽合理，容易造成整体结构各杆件应力不均，不仅经济指标不够理想，而且整体结构的安全度也不高，为了安全、经济地设计门式刚架，还需要设计人员进一步研究我们的设计观念和存在问题，确保工程的设计质量，推动门式刚架轻型钢结构的进一步发展。同时，在工程设计中在满足规范要求的前提下采用何种结构布置形式和结构分析方法能构降低钢材用量，使结构受力更合理，投资更经济也是我们以后需要进一步研究的问题。
参考文献
[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）.
[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）.
[3]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）.