舒平 高利永

摘要：门式刚架轻型钢结构有很多的优点。本文结合了作者多年的工程技术设计经验，对门式刚架轻型钢结构设计作出了一些探讨和总结。

关键词： 轻钢结构; 计算长度; 抗剪键

Abstract: the door frame of light steel structure has many advantages. Based on the author's engineering design experience, steel portal frame of light steel structure design to make some research and summarize.

Keywords: light steel structure; Calculation length; Shear key

中图分类号：TB482.2文献标识码：A 文章编号：

为了更好的适应新形势下钢结构建筑发展的要求，设计人员更需要不断充实对钢结构设计思维。结合钢结构设计规范和作者从事轻型门式刚架结构的设计经验，本文归纳和总结了门式刚架轻型钢结构体系在工程设计中常见问题，抛砖引玉，供各位同行共同探讨。

1 刚架梁计算长度

门式刚架的梁柱构件一般为实腹式焊接工字钢或轧制H 型钢，中柱为摇摆柱时，中柱截面也可用箱形截面。为减少用钢量，降低工程造价，构件截面通常采用变截面形式。梁柱截面通常是尽量采用较大高度，减小腹板厚度，以便实现截面最大抗弯承载能力。因此，在门式刚架的实际设计中，刚架梁的截面通常是由整体稳定控制，计算长度的选取对结构设计的经济性起到重要的作用。例如，以一双轴对称工字型截面刚架梁为例，钢材材质选用 Q235B 钢，平面外回转半径 iy= 5cm，稳定系数按下式计算:φb= 1. 07 － λ2y·fy/ ( 4400 × 235) λy≤120当平面外计算长度 Ly= 3m 时，λy= 60，φb= 0. 92; 当平面外计算长度 Ly= 6m 时，λy= 120，φb= 0. 67。由此可见，平面外计算长度取值对稳定应力计算的影响。在门刚设计中，有的设计人员对刚架梁平面外计算长度取隅撑间距或两倍隅撑间距，实际上，由于隅撑都是采用普通螺栓连接，且与隅撑上端相连的檩条也是通过普通螺栓与刚架梁上翼缘连接，因此，只有梁下翼缘发生一定的侧向位移时，隅撑才能起到侧向支撑点的作用，考虑到梁上翼缘同时也会发生侧向移动，梁上翼缘侧向支撑点中部位置的隅撑作为支撑点的作用将进一步削弱。因此，如考虑隅撑作为下翼缘侧向支撑点，应取靠近系杆所在位置的隅撑。

2 系杆设计

在一般的轻钢结构中，屋面支撑多采用带张紧法兰的圆钢，只能承受拉力，如果不设置能传递压力的系杆，屋面支撑就无法形成有效传递水平力的平面桁架结构。系杆一般单独设置，并与柱间支撑布置相配合。截面选择多采用热轧无缝钢管，有时也可由檩条或屋面钢天沟兼作，此时檩条或屋面钢天沟及其连接节点应满足对压弯杆件的刚度、承载力和构造要求，并且，连接位置应与柱间支撑位置相一致，以便于传力直接。常用的设计软件中，对系杆的设计时，通常是与屋面支撑同时进行，将总的风荷载除以一列柱的柱间支撑数后，作为节点集中荷载施加到屋面支撑与系杆组成的水平桁架上。这种处理对屋面支撑设计没有什么问题，但对系杆来说，值得商榷。由于风荷载是由柱间支撑共同承受传递到基础上，在每一列系杆中，沿纵向方向是一个水平力逐渐分配的过程，每经过一个柱间支撑所在位置，轴力便分配一次，所以，对所有的系杆统一取一荷载进行设计，势必对房屋端部位置的系杆偏于不安全，而对中间位置的系杆又偏于保守。建议在对系杆设计时，对不同位置的系杆采用不同的风荷载系数进行设计，以一列柱布置三道柱间支撑为例，风荷载总体形系数为 1. 3，迎风面为 0. 8，背风面为 －0. 5。从迎风面开始，抗风柱至第一个柱间支撑间( 包括柱间支撑所在的柱间) 承担的风荷载比例为 0. 8。第一列柱间支撑至第二列柱间支撑间( 包括柱间支撑所在的柱间) 承担的风荷载比例为 0. 8 － 1. 3/3 = 0. 37，以此类推得到所有系杆风荷载分配系数，设计时，应考虑左风和右风的分别作用。

3 抗剪键的设计

由于门刚结构自重较轻，在风荷载较大地区的工程设计中，有时会出现剪力较大，而竖向力较小，甚至会出现拔力的情况，此时，单单靠柱底板与基础顶面的摩擦力难以抵抗水平力，因而，需要设置抗剪键来分担水平剪力。抗剪键一般采用截面刚度较大的槽钢或工字钢等型钢来制作，型钢的长度方向与水平剪力的方向平行，并采用角焊缝与柱底板连接。抗剪键的截面和连接焊缝应进行计算确定，焊缝设计计算一般只考虑正面角焊缝的作用，计算公式如下:Lw= ( Vmax－ 0. 4N) / ( 0. 7fwβf) +40式中，Lw为正面角焊缝总长度; Vmax為最不利组合时柱底最大剪力; N 为对应 Vmax时柱底轴力; fw为角焊缝设计值; βf为正面角焊缝强度设计值增大系数，可取 1. 22。基础施工时，需预留抗剪键槽，抗剪键槽的平面尺寸较抗剪键截面尺寸稍大，具体以方便二次灌浆为宜。

4 工程实例

某仓库结构形式为双跨门式刚架轻型钢结构，单跨跨度为 45m，柱距 7. 2m，边柱柱顶标高 8. 730m，中柱为摇摆柱。仓库屋面为压型钢板屋面，四周为砌体围护结构。每列柱，沿纵向共布置四道柱间支撑，为门式支撑。工程所在地地震设防烈度为 6 度，设计地震分组为第二组，基本风压为 1. 0kN/m2。刚架设计时，屋面恒载取 0. 3kN/m2，活载取0. 3kN / m2，结构设计软件采用 STS 计算软件。由于风荷载和刚架跨度较大，为了减少基础造价，降低对地基承载力要求，刚架柱柱底均采用铰接。根据各榀刚架受荷面积，以及风荷载体型系数的不同，所有刚架沿纵向分为三个标准刚架，两榀端刚架为 GJ1，两端第二榀刚架为GJ2，其余各榀为 GJ3。以 GJ3 为例，钢构件除中间摇摆柱为箱形截面以外，其余构件截面形式均为变截面焊接工字钢。结构设计时，刚架梁平面内计算长度按程序默认取值，平面为计算长度取系杆间距 5. 0m。刚架柱平面内计算长度按程序默认取值，平面计算长度取 3. 0m。所用钢材材质为Q345B 钢。结合弯矩包络图，刚架梁共分为十一个分段，考虑运输方便，最大分段长度为 12. 5m。根据计算结果，刚架柱断面尺寸为( 600 ～1100) × 300 × 8 × 14，两侧与刚架柱相连接的刚架梁分段截面为( 900 ～ 1500) × 270 × 8 × 14，跨中刚架梁最大截面为 1600 × 300 × 8 × 14，中柱柱顶刚架梁最大截面为 1500 ×270 ×8 ×14。屋面系杆结合山墙抗风柱布置，间距 5m，沿纵向方向分别取两种截面形式，第一道柱间支撑与第二道柱间支撑间系杆截面为 140 × 4. 5 热轧无缝钢管，第二道柱间支撑与第三道柱间支撑间系杆截面为 108 × 4. 0 热轧无缝钢管，第三道柱间支撑与第四道柱间支撑间系杆截面为 140 ×4. 5 热轧无缝钢管，各系杆截面均满足强度、构造要求，系杆布置图如图 1 所示。柱脚底部抗剪键计算采用 14#轻型槽钢，长度 150mm，与柱底端板周边角焊缝连接。基础顶面相应位置预留抗剪键槽，深 150( 由于柱底端板与基础顶面间有 50mm 后浇混凝土，抗剪键槽实际深度为 200mm) ，抗剪键槽平面尺寸为 200 ×140mm，如图 2 所示。

5 结语

随着我国经济的高速发展和建筑规模的不断扩大，门式刚架轻型钢结构在我国的应用日益广泛。但由于许多设计人员和施工单位对这种结构了解不多，很多设计细节问题还需要广大的设计人员在实际工作中不断地完善。不仅要对刚架本身进行设计，作为一个结构体系，还应对结构布置、支撑系统、构件的连接及节点构造做详细综合的考虑。只有充分理解该类结构的设计概念，才能使设计的结构更经济、更安全。结合作者进行门式刚架轻型钢结构的工作经验，本文介绍了门式刚架轻型钢结构体系特点和一些设计时常遇到的问题，以供同行参考。

参考文献

［1］ 杨风第，周永麟 . 轻型钢结构房屋柱基础设计的探讨［J］． 钢

结构，2005，( 5) ．

［2］ 何天森，李国强 . 平端板连接组合节点性能研究［J］． 建筑钢

结构进展，2004，( 6) ．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。