工业建筑门式刚架轻型钢结构设计

工业建筑门式刚架轻型钢结构设计

丁洁

东北大学设计研究院有限公司辽宁省沈阳市110000

摘要：伴随着国民经济的不断发展，传统的钢筋混凝土排架结构工业建筑由于使用空间狭小、结构布置死板、建设周期长、能耗大等诸多缺点已逐渐难以适应工业现代化前进的步伐了，因此轻型钢结构工业建筑近年来得到了长足发展，其中又以门式刚架轻型钢结构工业建筑以其自重轻、跨度大、结构布置灵活、材料强度高、抗震性能好、施工速度快、安装和拆卸迁建方便、降耗节能效果显著等优点逐渐运用在工业建筑中。

关键词：工业建筑；门式刚架轻型钢结构；设计

一、门式刚架轻钢结构工业建筑的特点

1、结构体系简洁、抗震性能好

轻钢结构工业建筑的主要承重结构多为焊接工字形截面或热轧Ｈ形截面梁、柱组成的二维平面门式刚架，门式刚架之间再由支撑、刚性系杆等侧向钢构件可靠连接组成简洁明了的空间受力体系。由于钢材材质强度高、塑性和韧性好，因此刚架即使在较大变形时也不容易被严重破坏，所以抗震性能十分优异。

2、荷载种类多

荷载主要包括建筑自重、风荷载、雪荷载、集灰荷载、检修荷载，悬挂荷载主要包括安装、工艺流水线、吊车、设备专业所吊挂管道等荷载。

3、结构受荷载影响敏感

与传统钢筋混凝结构相比，随着作用于门式刚架轻钢结构上的荷载的变化，钢构件的内力以及整体变形将出现明显的变化。

4、采用新型围护材料美观、环保、节能

采用带彩色防腐涂层的单层压型钢板或双层带彩色防腐涂层的压型钢板内夹轻质保温材料而成的彩钢夹芯板，特别是彩钢夹芯板，以其自重轻、保温隔热效果好、安装速度快、外表美观的优点，已经成为轻钢结构工业建筑不可或缺的围护材料。

二、门式刚架轻钢结构工业建筑设计

1、设计原则

以概率理论为前提作为门式刚架轻型房屋钢结构设计的极限状态设计法，根据分项系统设计表达式进行计算。并根据两极限状态的要求承载能力极限状态、正常使用极限状态进行门式刚架轻型房屋钢结构承重构件设计。

2、基础构建设计

1）墙架构件设计：通常选取卷边槽形、Z形冷弯薄壁型钢作为轻型墙体结构墙梁。可选取简支、连续构件的方式设计墙梁，并在刚架柱上支承其2端。如墙梁具备相应竖向承载力及墙板落地或紧密连接墙板时，无需进行中间柱设置，并要对其自重产生的弯矩、剪力等进行充分考虑。如墙板与墙梁自身重量需墙梁承受，则需对双向弯曲工况加以考虑。当4～6m为墙梁跨度，可将拉条设置于跨中位置；如跨度在6m以上，需将拉条分别设置于跨间三分点位置。通常将斜拉条设置于最上层墙梁位置，以此向承重柱、墙架柱等位置传递拉力。

2）支撑体系设计：轻钢结构工业建筑的钢排架侧向刚度相对较弱，为了抵抗水平风荷载、吊车刹车荷载和地震作用，应在设置柱间支撑的开间同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系，柱间支撑最好设置在温度区段端部的第一个开间内。柱间支撑的间距应根据建筑的柱距、吊车情况和安装条件确定，一般无吊车的工业建筑柱间支撑间距不宜超过45m，有吊车的工业建筑柱间支撑间距不宜超过60m。

3）屋面板与墙板设计：压型钢板为门式刚架屋面、墙面最常用的材料，选取预涂层彩色钢板进行压型钢板的制作，0.4~1mm为其厚度。

3、建筑尺寸

通常情况下门式刚架轻型房屋钢结构的尺寸应该满足下列规定：

①门式刚架的跨度取值标准为，横向刚架柱轴线间的距离；②门式刚架的高度的取值标准，应该是地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度，具体需按使用要求内净高来确定；③在柱的轴线选择上，可以通过柱下端中心竖向轴线，而斜梁的轴线则可通过变截面梁段的最小端中心、斜梁上表面平行轴线；④门式刚架轻型房屋的檐口高度，应该按照地坪至房屋外侧檩条上缘的高度来确定，其最大高度由地坪至屋盖顶部檩条上缘高度来决定，而房屋侧墙墙梁的外皮之间距离，则为宽度应取的距离，长度则按照两端山墙墙梁外皮之间距离作为标准取值。通常来说，门式刚架的跨度应该为9～36m，如果边柱的宽度不等，那就需要把外侧对齐。而一般的高度应该在4.5～9.0m之间，如果有桥式吊车时，就不能超过12m。间距，一般要采用6～9m。挑檐长度可根据使用要求确定，但是通常是在为0.5～1.2m之间取值，其上翼缘坡度宜与斜梁坡度相同。

4、结构平面布置

1）门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度必须要满足这两个规定：①纵向温度区段不大于300m；②横向温度区段不大于150m。当然，这只是参照值，如果有计算依据和需要时，温度区段长度可根据工程的实际需要适当加大。

2）在多跨刚架局部抽掉中间柱，或者边柱处需要考虑布置托架梁。

3）屋面檩条的布置应考虑天窗、屋面材料、采光带、通风屋脊、檩条供货规格等因素的影响，屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。

4）门式刚架中柱的设计中，通常会采用摇摆柱，摇摆柱的两端主要是采用铰接的方式，构造极为简单，受力也相对简单。

三、门式刚架的塑性设计与计算

1、门式刚架荷载

门式刚架的荷载一般有三类：①屋面结构等的自重，即永久荷载；②屋面活荷载和雪荷载中的较大者；③风荷载。在一般弹性设计中，可根据各类荷载单独计算刚架中的内力，最后再有目的的对各个构件进行内力组合，求出最不利的内力设计值。而对于超静定的结构采用塑性设计，可以充分利用结构和构件的塑性性能，达到节约材料的目的。在塑性设计中，找到结构中形成机构的塑性铰位置，进而求得构件截面的塑性弯矩M，是机构分析的目的。因为屋面部分风荷载的体型系数是负值，风力为吸力，其方向是与屋面活荷载或雪荷载相反的，所以，在进行无吊车荷载的门式刚架设计时，需要考虑的荷载基本组合为两个：①永久荷载+屋面活荷载（或雪荷载）；②永久荷载+屋面活荷载（或雪荷载）+风荷载，只有当风荷载特别大，而且可能产生内力变号的情况下，才有必要进行考虑。

2、门式刚架的机构分析

所谓的静力法，指的是通过求解静力平衡方程，来确定塑性铰位置和塑性弯矩的方法。具体的步骤是：①为了形成静定结构，应该去除构件中的超静定赘余反力，然后绘制荷载作用下此静定结构的弯矩图；②把赘余反力作用在静定刚架上，然后在根据具体要求画出由赘余反力产生的弯矩图；③把前面的两弯矩图叠加，求得成机构的塑性铰位置，求得截面的最大全塑性弯矩MP。根据上述静力法的分析，一定可以使得平衡条件和机构条件得到满足，当然，如果找错了塑性铰位置，那就很有可能在所确定的塑性铰位置以外的其他截面上产生大于MP的弯矩，此时，也就背离了屈服条件。所以，求得MP后，还需要进行检查，确保构件的任何一个截面的弯矩的绝对值不超过MP。

3、门式刚架的截面设计

一般来说，在完成通过内力分析确定截面的塑性弯矩MP后，就可以接着进行截面的初选。尽管门式刚架的柱子和斜梁都是压弯构件，但是，根据相关的原理，在进行截面的初选时，仍然可以将它们各看做受弯构件，也就是要忽略轴力的影响。而对于纯弯构件，在荷载使梁处于全塑性工作阶段的背景下，截面上的应力图形为两块矩形，形成塑性铰，截面上的弯矩为全塑性弯矩，简称塑性弯矩，记为：MP=fy·WP，其中WP=ηWx为塑性截面模量，η为截面形状系数，WP为弹性截面模量。引入荷载分项系数和抗力分项系数后，得：MP=fy·WP。由此可求得所需构件截面的弹性截面模量：Wx=MP/fη。由Wx即可初选构件的截面。

参考文献：

[1]余兴国.门式刚架轻型钢结构有限元分析[J].建筑工程技术与设计，2014：36~37.

[2]罗福午．单层工业厂房结构设计．北京：清华大学出版社，1992