轻型门式刚架结构设计研究★

2012-08-15唐鹭董君陈海鹏

山西建筑 2012年34期

唐鹭董君陈海鹏

(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610041)

0 引言

门式刚架结构在我国的应用始于20世纪60年代初期，由于柱网布置灵活，最大跨度可做到70 m，可用于大空间建筑体，但是科学、经济的跨度为9 m～36 m，因此门式刚架常用于体育馆、展览厅、车库、工业厂房、仓库等。由于它具有质量轻、施工方便且施工周期短等特点，因此在近十多年来得到了迅速的发展，目前国内有大量的钢结构工程正在开展。

1 轻型门式刚架结构形式

轻型门式刚架结构是梁、柱构件单元的组合体，其形式种类多样，在单层工业和民用房屋的钢结构中应用较多的是单跨、双跨或多跨的单双坡形门式刚架。按构件体系分，有实腹式与格构式;按截面形式分，有等截面和变截面。实腹式刚架的截面一般为工字形，格构式刚架的截面通常为矩形或三角形。

单层门式刚架主要是以焊接H形钢(等截面或变截面)或热轧H形钢(等截面)或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢(C，Z，H形等)做檩条与墙梁;采用压型金属板做屋面和墙面，并在屋面梁之间、柱之间设置支撑的一种结构体系。

2 轻型门式刚架设计

2．1 建筑结构平面布置

通过大量的工程实践，并综合各种因素总结出如下经验成果:轻型门式刚架的跨度宜为9 m～36 m，通常以3 m为模数;房屋高度，无吊车时一般为4．5 m～9 m，有吊车时常为9 m～12 m;房屋坡度宜取1/8～1/20，在雨水较多地区可取较大值;门式刚架间距，即柱网轴线纵方向的距离宜为6m，亦可采用7．5m或9m，最大可采用12m，当跨度较小时可采用4．5m;当门式刚架房屋纵向长度超过300 m或横向长度超过150 m时应设置伸缩缝。

2．2 荷载及其组合

轻型门式刚架房屋作用的荷载主要有重力荷载、可变荷载、地震作用。重力荷载主要为结构构件自重及悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载;可变荷载包括屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载等;屋面活荷载包括屋面均布活载、施工或检修集中荷载、积灰荷载、雪荷载等。

当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0．5 kN/m2，当受荷水平投影面积大于60 m2刚架构件，屋面竖向均布活荷载可取不小于0．3 kN/m2［1］。

荷载组合应遵从GB 50009-2012建筑结构荷载设计规范的规定，针对门式刚架的特点，CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程给出下列组合原则［1］:

1)屋面均布活载不与雪荷载同时考虑，取两者中较大值;2)积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑;3)施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑;4)风荷载不与地震作用同时考虑;5)对一层吊车的单跨厂房，参与组合的吊车台数不宜多于2台，对一层吊车的多跨厂房，参与组合的吊车台数不宜多于4台［2］。

竖向荷载通常是设计的控制荷载，地震作用一般不起控制作用。当风荷载较大或房屋高度较高时，风荷载的作用不应忽视。

2．3 刚架内力和侧移计算

2．3．1 内力计算

变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力。仅在构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力分析可按一般结构力学方法或利用静力计算公式，通常采用有限元法(直接刚度法)计算，地震作用效应可采用底部剪力法分析确定。

根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。控制截面的内力组合主要有:

1)最大轴压力Nmax和同时出现的M及V的较大值;2)最大弯矩Mmax和同时出现的N及V的较大值;3)最小轴压力Nmin和相应的M及V。

需要注意的是，前两种组合有可能重合;此外其组合是针对截面双轴对称构件而言，当构件为单轴对称时，须考虑弯矩的正、负。组合3)是考虑到轻型门式刚架结构体系较轻，当仅考虑永久荷载和风荷载共同作用时，在强风作用下，柱脚可能受到上拔力的作用。

2．3．2 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。如果刚架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整:放大柱或(和)梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。

2．4 刚架梁和柱的设计

刚架梁和柱常采用Q235B或Q345A及以上等级的钢材。格构式刚架梁截面高度可取跨度的1/15～1/25，实腹式刚架梁则采用跨度的1/30～1/45。门式刚架横梁与柱为刚性连接;柱与基础主要为铰接和固结，铰接一般用于无吊车或桥式吊车小于5 t的厂房、仓库等，当设有大于5 t桥式吊车、檐口高度较高或刚度要求较高时应采用固结。

刚架梁、柱截面确定后，在荷载作用下，梁和柱的计算长度对其应力影响很大。梁、柱平面内的计算长度可采取调整其截面大小来满足要求。为了减小刚架梁平面外的计算长度，通常在刚架梁之间设置水平支撑和隅撑等构造措施;同样可以在刚架柱之间设置刚性系杆和柱间支撑来控制。根据门式刚架所受弯矩的特点可知，刚架梁两端的梁下翼缘受压，柱端内翼缘受压，因此在距梁两端3m的檩条处设隅撑，当刚架梁跨度L≥24m时，在距梁两端6 m的檩条处均布两道隅撑。角隅撑通常设置在刚架柱顶端1/3柱高的内侧部分，保证了柱的局部稳定性。

2．5 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，设计时，应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。格构式檩条加工复杂，施工难度大，并且不美观，因此一般采用实腹式，但是当跨度大于9 m时宜采用格构式檩条。实腹式檩条有C形，Z形，H形等，采用的是冷弯薄壁型钢，与同样面积的热轧型钢相比，它的回转半径可增大80%，惯性矩和面积矩可增大50%～180%。在檩条之间通常设置拉条或撑杆，不仅可以提高屋面刚度，还可以减小檩条平面外计算长度，当檩条跨度大于4 m时，宜在檩条间跨中设置拉条或撑杆，当跨度大于6 m时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑杆。

2．6 支撑设计

支撑系统是构成轻型门式刚架结构纵向体系的主要构件，是保证其他构件(梁、柱、檩条等)弱轴稳定的基础。支撑主要设置在刚架梁之间，柱之间，檩条之间，屋面刚梁支撑与柱间支撑应形成封闭，使刚架结构成为空间结构系统。檩条支撑2．4节已描述。

屋面支撑受力相对较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

柱间支撑分为上层支撑和下层支撑，它可以保证房屋的纵方向稳定性和空间刚度，承受纵方向水平力(风载、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用)，并将上述荷载传至基础。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时以及考虑抗震时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，交叉斜杆应按拉杆设计。

2．7 柱脚设计

轻型门式刚架房屋钢结构的柱脚，宜采用平板式铰接柱脚。当有必要时，也可采用刚接柱脚。柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平力，此水平力应由底板与混凝土之间的摩擦力或设置抗剪键来承受。当埋置深度受限制时，锚栓应牢固地固定在锚板或锚梁上，以传递全部拉力。柱脚锚栓应采用Q235钢或Q345钢材。

3 轻型门式刚架在工程中的应用

轻型门式刚架在天然气净化厂及天然气压气站场中应用非常广泛，常用于压缩机厂房、锅炉房、库房、阀门检测间等。某工程中的压缩机厂房均采用的是轻型门式刚架，某压缩机厂房总长为54 m，跨度为27 m，高度13 m，桥式吊车起吊重量为16 t，采用STS计算后，根据刚架所受的弯矩特点，梁、柱采用了变截面，相对于等截面节约了近8 t钢材;檩条及墙梁采用的是薄壁C形钢。整个设计及施工过程周期都比较短、刚架安装便捷，并且施工简单，该厂房目前已投入使用。