单层门式刚架轻型房屋结构设计探讨

单层门式刚架轻型房屋结构设计探讨

孙立琦

上海铁路局合肥房产建筑段安徽合肥230000

摘要：本文主要对单层门式刚架轻型房屋在进行结构整体布局和单个构件设计时的注意事项及相关措施作了简要介绍。

关键词：单层轻型门式刚架房屋结构布置构件设计

在我国门式刚架是一种较为新型的结构体系，该类结构的上部包括刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、墙梁、以及屋面、墙面围护等。门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点。因此在轻型的厂房、仓库、活动房屋、以及建筑加层等方面得到了迅速推广，取得了很好的社会效益和经济效益。目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种轻型房屋结构体系。

一、结构形式和结构布置

单层轻型门式刚架房屋，一般体型简单，讲求适用，对于建筑外观等不做太高要求。在设计此类房屋时结构专业往往成为主导专业，因此，合理的结构形式和结构布置对工程至关重要。

1.门式刚架的结构形式可分为单跨、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1/20~1/8（雨水较多地区取大值）。单脊双坡多跨刚架，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，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桥式吊车。

2.刚架布置，门式刚架的跨度宜为9~36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5~9m。当有桥式吊车时不宜大于12m。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。纵向温度区段不大于220m，横向温度区段当柱底铰接时不大于150m，刚接时不大于120m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。

3.檩条和墙梁的布置，檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，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。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。

4.支撑和刚性系杆的布置

(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)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m，有吊车时不宜大于60m。

(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。

(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

(6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。

(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。

(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。

(9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。

二、主刚架的设计

1荷载及荷载组合

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。可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1.0KN）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载规范》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范》GB51022-2015给出下列组合原则：

(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。

(2)积灰荷载应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)多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载规范》的规定。

(5)风荷载不与地震作用同时考虑。

三、刚架内力和侧移计算

1.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，按平面结构分析内力，一般不考虑压型钢板的应力蒙皮效应，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，地震作用的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。

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。如果最后验算时刚架的侧移刚度不满足要求，可采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）梁的截面尺寸；改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。

3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。

(2)刚架梁柱构件的强度验算。

(3)梁腹板加劲肋的配置。

(4)变截面柱在刚架平面内的计算长度确定。

(5)变截面柱在刚架平面内的整体稳定计算。

(6)变截面柱在刚架平面外的整体稳定计算。

(7)斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。

(8)节点设计。

四、附属结构构件设计

1.檩条设计

(1)檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。当檩条跨度不大于9m时，应优先选用实腹式檩条。

(2)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。

(3)檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。

(4)檩条尚应满足其他相关构造规定。

2.墙梁、支撑设计

(1)墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，有时也可采用卷边Z形钢。

(2)墙梁在其自重、墙体材料和水平风荷载作用下，也是双向受弯构件。

(3)墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁的竖向挠度，可在墙梁上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至刚架柱。

(4)墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连续梁。

(5)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。

(6)刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计入支撑对斜梁起减少计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计入压杆的受力。

(7)刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可平均分配。

2.压型钢板设计

(1)屋面板的厚度一般为0．5～1．0mm，彩涂热镀锌板基板的牌号宜用StE280—2Z及StE345—2Z。允许集中荷载不小于1．0kN。

(2)压型钢板的截面形式较多，根据波高的不同，一般分为低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗弯刚度就越大，承受的荷载也就越大。

(3)压型钢板的强度和挠度可取单槽口的有效截面按受弯构件计算。计算内容包括压型钢板腹板的剪应力计算、支座处腹板的局部受压承载力计算、挠度限值验算等。

(4)压型钢板尚应满足其他相关构造规定。

五、结束语

综上所述，单层门式刚架轻型房屋结构设计应遵守以下原则：

(1)保证结构的整体性。门式刚架属于平面排架结构，它们在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应。

(2)明确各类外力从作用点到基础的传递路径和传递全过程中产生的效应。

(3)设计必须体现计算和构造的一致性。

主要参考文献：

《建筑结构荷载规范》GB50009-2012、

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015、

《冷湾薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002、