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摘要：门式刚架结构厂房是由刚架、屋盖、围护结构及相应支撑所组成的结构体系。由于其结构自身质量轻，抗震性能好，施工周期短，实用美观，构件易于安装拆卸等特点，近十几年来在我国建筑行业得到广泛的应用。
关键词：门式刚架；结构特点；结构布置
引言
门式刚架是建筑行业新兴的一种钢结构型式，与其他型式的建筑结构相比，门式刚架具有许多建筑结构无可比拟的优点。本文就门式刚架的相关概念、特点、门式刚架的结构布置和设计中会遇到的常见问题做了介绍分析，供各位设计同仁参考指正。
1.门式刚架的概念
门式刚架是一种钢材制成的平面型式的结构，它是由等截面或变截面的柱和等截面或变截面的斜梁组成，有三铰（一梁中铰、二柱脚铰）静定结构，或两铰（柱脚）超静定结构，及衍变型式。其柱和梁可以是实腹式或格构式的。实腹式就是用钢板焊接成“工”字形的等高或变高截面；格构式就是用小截面的型钢组成的等高或变高截面。
2.门式刚架的结构特点
刚架结构由横梁、柱和基础组成。刚架的柱与横梁刚接，与基础铰接。
排架结构由屋架、柱和基础组成，柱与屋架铰接，而与基础刚接。
将门式刚架与外形相同的排架在垂直均布荷载作用下的弯矩加以对比。刚架由于横梁与立柱整体刚性连接，节点B和C是刚性节点，能够承受并传递弯矩，这样就减少了横梁中的跨中弯矩值（如图1）。
在一般情况下，当跨度与荷载相同时，屋架和立柱组成的排架结构比刚架结构多用钢材约10%，混凝土约20%，因此刚架结构要比排架结构节省材料。单层刚架为梁柱合一的结构，杆件较少，结构内部空间较大，便于利用。而且刚架一般由直杆组成，制作方便，因此，在实际工程中应用非常广泛。门式刚架中的横梁为折线形的种类更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和建筑造型美观等优点。折线型的横梁使室内空间增大，适于双坡屋面的单层中、小型建筑，在中小型厂房、体育馆、礼堂、食堂等中小跨度的建筑中得到广泛应用。门式刚架刚度较差，受荷载后产生跨变，因此用于工业厂房时，吊车起重量不宜超过20t。
门式刚架的这些结构特征决定了其和其他型式的建筑结构相比有很多的优势：门式刚架屋面体系的整体性可以依靠檩条、隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便；结构构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，建筑造型美观；门式刚架的自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件；屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10（20-50kg/m2），是一种经济可靠的结构形式。
3.门式刚架的结构布置
3.1刚架的建筑尺寸和布置
（1）跨度：一般为9-36m；
（2）高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取4.5-9m；
（3）柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，宜取6m、7.5m、或9m，最大12m：
（4）挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.5-1.2m；
（5）温度分区：纵向温度区段≤300m、横向温度区段≤150m。
门式刚架的柱高与跨度的比例（高跨比H/L）是选型的主要参数。从结构观点看，由于柱高的减少将使推力增大，因而对三铰门架来说，最好的形式是高度大于跨度。但对两铰门架来说，由于跨中弯矩的存在，跨度稍大于高度就成为合理的了。总的来说，高跨比H/L=0.75是比较合理的。
3.2檩条和墙梁的布置
檩条：一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。
墙梁：墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。
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层时，墙梁宜布置在刚架的外侧，其间距随墙板板型及规格而定。
3.3支撑和刚性系杆的布置原则
（1）在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
（2）在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。
（3）柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况和安装条件确定：无吊车时取30-45m；当有吊车宜设在温度区段中部；当温度区段较长时以间距40-60m设三分点；当建筑物宽度超过60m时，适当增加内柱列的柱间支撑；房屋高度较大时，柱间支撑要分层设置；端部柱问支撑考虑温度应力影响宜设置在第二柱问。
当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱问支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱问支撑时，应设置纵向刚架。
4.门式刚架设计中常见问题
（1）屋面横向水平支撑与柱问支撑未布置在同一跨间内。
布置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。
根據《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002第4.5.1条第2款和第4.5.2条第1款的规定，宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间，在布置柱间支撑的开问，宜同时布置屋面横向水平支撑，当无法布置在同一跨间时，可布置在相邻跨间，有一定搭接区。
（2）屋面横向水平支撑布置在房屋温度区段端部第二开间，而在第一开问相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置未布置纵向刚性系杆。
房屋端墙（山墙）的风荷载或地震作用要靠屋面横向水平支撑传递给房屋纵向柱间支撑。屋面横向水平支撑布置在第二开间时，第一开间仅布置未按压弯杆件验算和加强的檩条，不足以传递端墙的风荷载或地震作用。 根据《门式刚架规程》CECS102：2002第4.5.2条第1款的规定，在房屋温度区段的第一开问相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置满足受压杆件长细比要求和受压（压弯）杆件承载力要求的刚性系杆（如图2）。
（3）屋面横向水平支撑的节点未与抗风柱布置相应协调。
屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处，可以使抗风柱柱顶的反力直接传递，避免刚架斜梁受扭。
首先根据房屋的使用要求布置抗风柱，然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面横向水平支撑桁架的节点及支撑杆件；因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面横向水平支撑的节点，屋面横向水平支撑的交叉斜桿为柔性拉杆，与刚架斜梁的连接较为简单，可以不必等间距布置，这是门式刚架与普通屋架不同之处（如图3）。
（4）屋面横向水平支撑和柱问支撑采用圆钢时，未设张紧装置；当设有桥式吊车时，柱间支撑未采用型钢支撑。
圆钢支撑侧向刚度小，安装时会因自重而下垂，再加上圆钢支撑初始弯曲和连接松弛等缺陷，不设张紧装置就不能保证支撑始终处于张紧状态，对门式刚架房屋的整体稳定性和整体刚度起不到应有的作用。当有吊车时，柱问支撑改而采用型刚支撑，也是为了保证门式刚架房屋的纵向刚度。
采用圆钢支撑时，应按《门式刚架规程》CECS102：2002和《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.2条的要求设置张紧装置。有吊车时，柱问支撑应采用型钢支撑；在8度及以上地震区或地震作用效应组合控制时，门式刚架房屋的屋面横向水平支撑和柱问支撑亦应采用型钢支撑。
（5）钢柱脚未采用混凝土包裹防护
许多事例表明地面以下的钢柱脚若不用混凝土包裹，柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患。
应按《钢结构设计规范》GB50017-2003第8.9.3条规定，对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚高出地面的高度不应小于100mm。
5.结语
门式刚架结构作为一种建筑结构体系，因其结构自身质量轻，抗震性能好，施工周期短，实用美观，构件易于安装拆卸，综合经济效益高等优点，目前在我国已得到了广泛应用，技术也在逐步完善、成熟。随着门式刚架结构房屋的大量应用，许多结构设计方面的问题也逐步暴露出来，这就要求设计师在做此类结构设计时，应充分理解相关设计规范、规程说明，使得设计既经济合理，又安全可靠。
参考文献
[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102，2002.
[2]龚燕乔.轻型钢结构的门式刚架设计中常见问题与解决措施.科技风，2012，1（下）.
收稿日期：2013-4-12
作者简介：李永华（1976-），贵州兴仁人，本科，主要从事建筑结构设计工作。
关键词：门式刚架；结构特点；结构布置
引言
门式刚架是建筑行业新兴的一种钢结构型式，与其他型式的建筑结构相比，门式刚架具有许多建筑结构无可比拟的优点。本文就门式刚架的相关概念、特点、门式刚架的结构布置和设计中会遇到的常见问题做了介绍分析，供各位设计同仁参考指正。
1.门式刚架的概念
门式刚架是一种钢材制成的平面型式的结构，它是由等截面或变截面的柱和等截面或变截面的斜梁组成，有三铰（一梁中铰、二柱脚铰）静定结构，或两铰（柱脚）超静定结构，及衍变型式。其柱和梁可以是实腹式或格构式的。实腹式就是用钢板焊接成“工”字形的等高或变高截面；格构式就是用小截面的型钢组成的等高或变高截面。
2.门式刚架的结构特点
刚架结构由横梁、柱和基础组成。刚架的柱与横梁刚接，与基础铰接。
排架结构由屋架、柱和基础组成，柱与屋架铰接，而与基础刚接。
将门式刚架与外形相同的排架在垂直均布荷载作用下的弯矩加以对比。刚架由于横梁与立柱整体刚性连接，节点B和C是刚性节点，能够承受并传递弯矩，这样就减少了横梁中的跨中弯矩值（如图1）。
在一般情况下，当跨度与荷载相同时，屋架和立柱组成的排架结构比刚架结构多用钢材约10%，混凝土约20%，因此刚架结构要比排架结构节省材料。单层刚架为梁柱合一的结构，杆件较少，结构内部空间较大，便于利用。而且刚架一般由直杆组成，制作方便，因此，在实际工程中应用非常广泛。门式刚架中的横梁为折线形的种类更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和建筑造型美观等优点。折线型的横梁使室内空间增大，适于双坡屋面的单层中、小型建筑，在中小型厂房、体育馆、礼堂、食堂等中小跨度的建筑中得到广泛应用。门式刚架刚度较差，受荷载后产生跨变，因此用于工业厂房时，吊车起重量不宜超过20t。
门式刚架的这些结构特征决定了其和其他型式的建筑结构相比有很多的优势：门式刚架屋面体系的整体性可以依靠檩条、隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便；结构构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，建筑造型美观；门式刚架的自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件；屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/5-1/10（20-50kg/m2），是一种经济可靠的结构形式。
3.门式刚架的结构布置
3.1刚架的建筑尺寸和布置
（1）跨度：一般为9-36m；
（2）高度：取地坪柱轴线与斜梁轴线交点高度，宜取4.5-9m；
（3）柱距：应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，宜取6m、7.5m、或9m，最大12m：
（4）挑檐长度：根据使用要求确定，宜为0.5-1.2m；
（5）温度分区：纵向温度区段≤300m、横向温度区段≤150m。
门式刚架的柱高与跨度的比例（高跨比H/L）是选型的主要参数。从结构观点看，由于柱高的减少将使推力增大，因而对三铰门架来说，最好的形式是高度大于跨度。但对两铰门架来说，由于跨中弯矩的存在，跨度稍大于高度就成为合理的了。总的来说，高跨比H/L=0.75是比较合理的。
3.2檩条和墙梁的布置
檩条：一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。
墙梁：墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。
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层时，墙梁宜布置在刚架的外侧，其间距随墙板板型及规格而定。
3.3支撑和刚性系杆的布置原则
（1）在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
（2）在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。
（3）柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况和安装条件确定：无吊车时取30-45m；当有吊车宜设在温度区段中部；当温度区段较长时以间距40-60m设三分点；当建筑物宽度超过60m时，适当增加内柱列的柱间支撑；房屋高度较大时，柱间支撑要分层设置；端部柱问支撑考虑温度应力影响宜设置在第二柱问。
当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱问支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱问支撑时，应设置纵向刚架。
4.门式刚架设计中常见问题
（1）屋面横向水平支撑与柱问支撑未布置在同一跨间内。
布置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。
根據《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002第4.5.1条第2款和第4.5.2条第1款的规定，宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间，在布置柱间支撑的开问，宜同时布置屋面横向水平支撑，当无法布置在同一跨间时，可布置在相邻跨间，有一定搭接区。
（2）屋面横向水平支撑布置在房屋温度区段端部第二开间，而在第一开问相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置未布置纵向刚性系杆。
房屋端墙（山墙）的风荷载或地震作用要靠屋面横向水平支撑传递给房屋纵向柱间支撑。屋面横向水平支撑布置在第二开间时，第一开间仅布置未按压弯杆件验算和加强的檩条，不足以传递端墙的风荷载或地震作用。 根据《门式刚架规程》CECS102：2002第4.5.2条第1款的规定，在房屋温度区段的第一开问相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置满足受压杆件长细比要求和受压（压弯）杆件承载力要求的刚性系杆（如图2）。
（3）屋面横向水平支撑的节点未与抗风柱布置相应协调。
屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处，可以使抗风柱柱顶的反力直接传递，避免刚架斜梁受扭。
首先根据房屋的使用要求布置抗风柱，然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面横向水平支撑桁架的节点及支撑杆件；因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面横向水平支撑的节点，屋面横向水平支撑的交叉斜桿为柔性拉杆，与刚架斜梁的连接较为简单，可以不必等间距布置，这是门式刚架与普通屋架不同之处（如图3）。
（4）屋面横向水平支撑和柱问支撑采用圆钢时，未设张紧装置；当设有桥式吊车时，柱间支撑未采用型钢支撑。
圆钢支撑侧向刚度小，安装时会因自重而下垂，再加上圆钢支撑初始弯曲和连接松弛等缺陷，不设张紧装置就不能保证支撑始终处于张紧状态，对门式刚架房屋的整体稳定性和整体刚度起不到应有的作用。当有吊车时，柱问支撑改而采用型刚支撑，也是为了保证门式刚架房屋的纵向刚度。
采用圆钢支撑时，应按《门式刚架规程》CECS102：2002和《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.2条的要求设置张紧装置。有吊车时，柱问支撑应采用型钢支撑；在8度及以上地震区或地震作用效应组合控制时，门式刚架房屋的屋面横向水平支撑和柱问支撑亦应采用型钢支撑。
（5）钢柱脚未采用混凝土包裹防护
许多事例表明地面以下的钢柱脚若不用混凝土包裹，柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患。
应按《钢结构设计规范》GB50017-2003第8.9.3条规定，对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时，柱脚高出地面的高度不应小于100mm。
5.结语
门式刚架结构作为一种建筑结构体系，因其结构自身质量轻，抗震性能好，施工周期短，实用美观，构件易于安装拆卸，综合经济效益高等优点，目前在我国已得到了广泛应用，技术也在逐步完善、成熟。随着门式刚架结构房屋的大量应用，许多结构设计方面的问题也逐步暴露出来，这就要求设计师在做此类结构设计时，应充分理解相关设计规范、规程说明，使得设计既经济合理，又安全可靠。
参考文献
[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102，2002.
[2]龚燕乔.轻型钢结构的门式刚架设计中常见问题与解决措施.科技风，2012，1（下）.
收稿日期：2013-4-12
作者简介：李永华（1976-），贵州兴仁人，本科，主要从事建筑结构设计工作。