淺談輕型門式剛架結構的設計及應用

楊劍鳳

摘 要：近年來，鋼結構在建筑中的應用范圍日益廣泛，主要原因在于鋼結構的安全性、穩定性和經濟性均十分突出。在鋼結構建筑中，門式剛架輕鋼結構十分普遍，該結構設計時的選材、檁條設計和整體變形等因素都直接影響到門式剛架輕型房屋結構使用的安全性和可靠性。因此文章結合實例，就輕型門式剛架結構的設計及應用進行簡要探討。

關鍵詞：輕型門式剛架；設計；應用

1 前言

在傳統的鋼結構建筑類型中，門式剛架輕鋼結構體系算是一類被采用十分廣泛的體系。它主要使用等截面或者變截面的焊接H型鋼當做其梁柱，同時把冷彎薄壁型鋼當做檁條、墻梁和墻柱，使用彩鋼板當做墻板和屋面板，并配備零件、門窗等形成的相對十分完備的建筑體系。門式剛架輕鋼結構設計有效的實現了材料的合理分工使用，構件尺寸比較小而且抗震性能十分好，實際施工的方式相對簡便，對以后檢查維修帶來便利。所以，要求一些從業員工在對這個結構體系進行設計的時候，要熟悉一些影響因素的影響程度，進一步快速提升輕鋼結構設計的合理性。

2 輕型門式剛架結構的設計要點

2.1 荷載計算

現行荷載規范增加了以恒載為主的不利組合式，屋面活荷載中主要考慮的僅是施工荷載即偶然因素的不利影響，故又恢復到0.5kN/m2。但注明“對不同結構可按有關設計規范作0.2kN/m2的增減”。現行《鋼結構設計規范》規定“對支承輕屋面的構件或結構，當僅有一個可變荷載且受荷面積超過60m2時，取0.3kNm2”。

2.2 檁條設計

輕型門式剛架結構一般采用型鋼作為構件，類型多為Z、C型。使用型剛作為墻梁時要注意房屋實際受力情況做好鋼材選擇，Z型型鋼比C型型鋼更具有實用性，因此，大多使用Z型型鋼作為剛架結構的主建材。首先，使用Z型型鋼作為剛架結構時，應該做好截面壓力測試，按照梁或者簡支作為主要的計算方式；其次，輕型門式剛架結構中首選Z型截面，但是在特殊節點處應該采用C型截面，C型截面具有較好的受力能力，耐壓性較強，而且采用螺栓構架時還具有非常便利的計算方式和方法；最后，檁條與墻梁的間距不得大于相應受壓翼緣寬度的16（235/fy）0.5倍。間距選擇時要特別注意力學測試，防止構造角度偏差，一般檁條與墻梁的間距的結構性角度最好保持為1.5m。此外，在進行檁條設計時要注意強度計算，檁條是輕型門式剛架機構的主要承重點，在建筑物中承重壓力較大，因此在設計要考慮屈度因素，根據截面強度以及拉條和隅撐的設置，做好檁條設計。

2.3 支撐系統主要結構方案的選擇

剛性系桿構件選用型鋼和鋼管，并與剛架通過螺栓鉸接，其截面的大小一般按壓桿穩定性要求或通過受力計算決定，其設置主要考慮剛架轉角和屋脊聯結處（其中屋脊處的剛性系桿可由用于此處屋脊構造需要的、剛度較大的雙檁條及聯結所代替）。另外，剛性系桿的間距主要取決于剛架構件的平面穩定性要求。第一，屋面支撐。屋面支撐受力較小，桿件截面通常可按容許長細比選擇。交叉斜桿和柔性細桿按拉桿設計，可采用單角鋼，非交叉斜桿、弦桿、豎桿以及剛性系桿按壓桿設計，可采用雙角鋼組成十字形或T形截面。當屋架跨度較大、房屋較高且風壓較大時，桿件截面應按桁架體系計算出的內力確定。計算支撐桿件內力時，可假定在水平荷載作用下，交叉斜桿中的壓桿退出工作，僅由拉桿受力。

第二，柱間支撐。對廠房來說：分為上層支撐和下層支撐。上層支撐計算時，為避免由于支撐剛度過大而引起較大的溫度應力，支撐腹桿按柔性拉桿計算。交叉體系的下層支撐當吊車較小時一般用圓鋼，較大時應采用角鋼或槽鋼。為了提高廠房縱向剛度，當吊車較大時，應交叉斜桿應按拉桿設計。

3 應用實例

以下以單層輕型門式剛架結構為例，就整個結構體系的布置、單個構件的設計要點、設計中應注意的一些問題做了系統闡述。

3.1 結構形式和結構布置

3.1.1 結構形式

門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20～1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當剛架柱不是特別高且風荷載也不是很大時，依據“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設計，當用于工業廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。

3.1.2 結構布置

（1）剛架的建筑尺寸和布置。門式剛架的跨度宜為9m～36m，當柱寬度不等時，其外側應對齊。高度應根據使用要求的室內凈高確定，宜取4.5m～9m。門式剛架的合理間距應綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。縱向溫度區段小于300m，橫向溫度區段小于150m（當有計算依據時，溫度區段可適當放大）。

（2）檁條和墻梁的布置。檁條間距的確定應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規格等因素按計算確定，一般應等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。側墻墻梁的布置應考慮門窗、挑檐、雨蓬等構件的設置和圍護材料的要求確定。

（3）支撐和剛性系桿的布置。①在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。②在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。③端部支撐宜設在溫度區段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應根據房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30m～45m，有吊車時不宜大于60m。④當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置；當房屋寬度大于60m時，內柱列宜適當設置支撐。⑤當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。⑥在剛架的轉折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應沿房屋全長設置剛性系桿。⑦由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。⑧剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。⑨當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼；當房屋中不允許設置柱間支撐時，應設置縱向剛架。

3.2 剛架內力和側移計算

（1）內力計算。對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內力，只有當剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。

（2）側移計算。變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數。如果最后驗算時剛架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進行調整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。

綜上所述，伴隨著我國各行各業的快速發展，輕型門式剛架結構得到越來越廣泛的應用。相比較于鋼筋混凝土材料，輕鋼門式剛架結構優勢突出。在實際應用該結構時，需要嚴格遵循規范標準，科學規劃設計，確保建筑結構的安全性和穩定性。

參考文獻：

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