门式刚架设计若干问题的探讨

门式刚架设计若干问题的探讨

刘刚

（上海同宽设计有限公司镇江分公司）

摘 要：针对轻型门式刚架结构设计中遇到的关于轻型门刚结构方案、钢梁平面外计算长度、支撑截面形式、节点设计等若干方面的问题进行了论述、探讨。在门式刚架轻型房屋钢结构设计中，要充分理解该类结构的设计概念 ，才能使结构设计既经济合理 ，又安全可靠。

关键词 ：平面外计算长度；支撑截面形式 ；节点设计

随着我国经济技术飞速发展，建筑技术水平的提高，轻钢厂房日益得到普及。笔者通过在日常设计工作中遇到的一些问题，结合《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范>GB51022-2015(以下简称“门规”)条文内容 ，加以总结 。

1 结构方案

1．1 适用范围

“门规”1．0．2条规定轻型门刚适用范围是房屋高度不大于18m,房屋高宽比小于1，承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架，具有轻型屋盖、无桥式吊车或有

起重量不大于 20t的 A1～A5工作级别的桥式吊车或 3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。

1．2 伸缩缝设置

“门规”5.2.4规定 ，纵向温度区段长度不大于 300m，横向区温度区段不大于 150m。房屋的温度区段应按规定设置独立的空间稳定的支撑体系。当纵向需要设置伸缩缝时，应优先采用檩条螺栓连接处设长圆孔的方法，并使该处屋面板在构造上允许胀缩。当横向需要设置伸缩缝时，应通过计算温度应力分析设置双柱是否经济。

1-3 最佳柱距及最佳跨度

对于门式刚架结构，在满足工艺布置要求的前提下，最佳柱距和最佳跨度的问题是方案设计中应充分考虑的，《门规》第 5．2．2条也作了说明，许多文献已作了充分论证。一般的规律是：当有桥式吊车时，柱距可取 6~7m；当无桥式吊车或有小吨位单梁吊时 ，柱距宜为 8~9m。门式刚架的跨度宜为 14～48m。

2 钢梁上下翼缘平面外的计算长度

门式刚架的横梁在上翼缘设横向支撑，下翼缘不再设横向支撑。通过隅撑起支撑作用，故必须与横向支撑节点处的檩条或刚性系杆相连才能保证梁下翼缘受压时的稳定性。故横梁在竖向荷载下跨中横向支撑的节距为受压上翼缘平面外计算长度，梁端横向支撑节距，为受压下翼缘平面外计算长度。即上下翼缘平面外计算长度都为横向支撑的不同节距。必须指出：只有横向支撑节点上的隅撑才能作为梁上下医院就的平面外支撑点。在横向支撑节点间内的隅撑均为梁的平面外弹性支撑，它会对斜梁上翼缘平面外产生局部侧向弯曲，影响安全。不论取几个隅撑间距，均不能作为梁的计算长度依据。“门规”7.1.6条条文指出屋面斜梁的平面外计算长度取两倍隅撑，似乎已成为一个默认选项，有设计人员认为隅撑可以间隔，这是不对的。本条特别强调隅撑不能作为梁的固定的侧向支撑，不能充分的给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。根据理论分析，隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距，梁下翼缘面积越大，则隅撑支撑作用相对弱，计算长度就越大。

故从“门规”中，可以窥探出规范的意图，意在鼓励隅撑需满布，不宜采用间隔布置的方式，钢梁平面外的计算长度应按隅撑的实际支撑效果，按门规7.1.6条第7款计算隅撑支撑梁的稳定系数，从而计算隅撑斜梁的整体稳定应力。

3支撑截面形式

《建筑抗震设计规范》GB50011(2016版)第9.2.12条5款：“厂房的屋盖支撑宜采用型钢”；第9.2.15条4款：“柱间支撑宜采用整根型钢”。它意味着从抗震角度，不论屋盖和柱间支撑均宜采用型钢。而《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范>GB51022-2015第8.2.3条规定有吊车的柱间支撑和有悬挂吊车屋面斜梁的横向支撑应采用型钢交叉支撑；其它无动力震动，但承受地震作用的支撑均可采用圆钢支撑。

故从规范中，可以看出有动力震动的支撑理应采用型钢截面、它可避免颤动和增加刚度；8度及以上地震厂房，柱间支撑和屋盖支撑也应采用型钢截面；其它情况，凡支撑截面由抗风控制的，均可采用圆钢截面。

4 节点设计

4．1 梁与梁连接

梁拼接节点形式，主要有外伸式、平板式、外伸式加肋等几种形式。加劲肋能明显改善螺栓的拉力分布状态，使受拉翼缘两侧螺栓受力均匀，从而大大提高了节点的抗弯能力，有效减少螺 栓数量和端板厚度，故一般应优先选用外伸式加肋的节点形式。梁中间拼接位置应尽量在弯矩和剪力较小处，且避开檩条支座处，同时应便于下料制作及运输，每段长度宜为 5～12m。

4．2 梁与柱连接

边柱与斜梁连接节点有端板竖放 、平放和斜放三种形式 。在可能的情况下应优先选用端板平放以减少节点的设计剪力，同时柱能在安装时起到临时支座作用。当节点弯矩较大时可采用端板斜放或竖放以增大力臂，但端板斜放时，对加工精度要求较高，且应注意安装空间的问题。中柱与梁的连接一般可采用铰接处理，但当跨中反弯矩很大或需控制水平位移时此处可设计为刚接。将端板平放与梁的下翼缘连接 ，受力合理 ，也便于加工安装 。

4．3 柱脚连接

《门规》5．1．4条对于无吊车或吊车荷载较小时，柱脚可采用铰接。当用于 5t以上桥式吊车时，柱脚铰接无法满足刚架侧移限值，此时应采用刚接。

《门规》10．2．15条柱脚铰接时通长为平板式支座，设置为一对或两对地脚螺栓。 柱脚钢接时有两种型式 ：即带加劲肋的刚接柱脚和带靴梁的刚接柱脚。吨位较大的重级工作制的吊 车应采用带靴粱的柱脚构造。四种柱脚节点详图见《门规》图10．2．15-1、10．2．15-2。柱脚锚栓的锚固定长度应符合《建筑地基基础设计范))G1350007的规定。锚栓端部应按规定设置弯钩或锚板。锚栓的直径不宜小于 24mm ，且应采用双罗帽，计算柱脚锚栓的受拉力时，应采用螺纹处的有效截面面积。

《门规》10．2．15条 ：柱脚锚栓不能用以承受柱脚底部的水平剪力，此水平剪力由底板与混凝土基础间 的摩擦力(摩擦系数取 0．4)或设置抗剪键承受 。抗剪键一般采用钢板或槽钢 ，在混凝土柱顶预留抗剪键 的坑位，待钢柱安装就位并核正完毕后再浇筑密实。

5 摇摆柱稳定性计算问题

5.1带中间铰接柱的新型多跨门架结构，在结构设计中出现了一个新问题：带摆柱结构的稳定性计算问题。这一问题的特殊性在于，摆柱承受竖向荷载的能力是由其他柱子提供的。没有其他结构，中间铰接柱会像一个摆一样绕柱脚转动，所以西方学者对它有一个专门的名字：摆柱。 摆柱结构的平面内和平面外稳定计算，要记住的一点:摆柱的稳定性靠它的邻柱提供,因而加重了邻柱的负担，邻柱的计算长度系数要相应增大。增大多少户具体情况应具体分析。国内有的资料对摆柱给出过大于1.0的系数。实际上摆柱本身的稳定计算总是按两端铰接柱考虑计算长度系数取应引起注意。

6 弹性设计法

6.1弹性设计法首先根据荷载分析内力，然后验算柱子的强度，平面内外的稳定性，验算斜梁的强度和平面外稳定。在强度和平面外的稳定计算公式上看,我国与欧美国家相差不大。在强度计算上，我们利用弹性设计或允许开展部分塑性,而西方发达国家根据板件宽厚比对截面分类，要分别采用完全弹性或完全塑性设计法,这可造成5%左右的应力差距。平面外稳定的计算公式与外国公式及试验资料进行过比较而确定，因而无太大的差别。 对门架的平面内有侧移失稳，我们根据横梁展开的线刚度与柱的线刚度比值，查表或用近似公式确定柱子计算长度，对柱脚铰接的情况，计算长度系数在2~4之间，大部分在2.5~3.5之间，5m长的门架柱要按12~15m长确定压杆稳定系数。 随着屋面坡度的降低，门架结构出现了通常薄壳结构才会遇到的新的一类失稳形式——跳跃失稳，国内对门架的这类失稳现象尚未研究过，英国钢结构新规范已有这方面的设计公式。 横梁在檐口部位的下翼缘受压，上翼缘受拉，此时横梁仅在受拉区有檩条侧向支撑，不能将其作为横梁的完全的侧向支撑。设计手册要求通过设置隅撑来防止梁的侧向弯扭失稳。

7 结语

门式刚架轻型房屋钢结构在我国应用已经比较广泛，技术 日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍较多。只有充分理解该类结构的设计概念 ，才能使结构设计既经济合理 ，又安全可靠。

参考文献 ：

[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015

[2]《钢结构设计标准》GB50017-2017

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011(2016版)