门式刚架工业建筑设计的研讨

1门式刚架轻钢结构工业建筑的结构布置

1.1柱网布置

因此刚架间距和跨度可根据工艺要求灵活确定，通过大量工程实例分析比较表明，刚架跨度采用１５ｍ～３６ｍｍ，刚架间距采用６ｍ～９ｍ是比较经济合理的，由于计算风荷载作用下门式刚架工业建筑维护结构构件时边缘带的风荷载体形系数普遍大于中间区风荷载体形系数，为了同一建筑内各柱距的屋面檩条和墙面檩条型号统一，两端边缘带的刚架间距宜适当小于中间区的刚架间距。

1.2支撑体系

单层轻钢结构工业建筑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。

1.3围护体系

轻钢结构工业建筑的维护体系由最外侧的压型彩钢板和内侧主刚架、山墙抗风柱、屋面檩条、墙面檩条等主次结构组成。屋面压型彩钢板均宜采取沿着垂直刚梁的方向排板，墙面压型彩钢板大多采取沿着垂直刚柱的方向排板。屋面檩条、墙面檩条的间距主要由各种外部荷载作用时其自身强度、稳定性、刚度和外侧压型钢板的面外刚度决定。当屋面双檩条兼作屋面支撑之间的刚性系杆时，应结合山墙抗风柱的位置考虑屋面檩托的设置，其目的是使各抗风柱顶部的刚架梁上翼缘相对应处存在檩托，以便于设置屋面双檩条，墙面檩条的间距还受门窗洞口的尺寸影响，当门窗洞口太大时应采取加强墙面檩条或增设墙柱等措施保证墙架的结构安全。

2门式刚架轻钢结构工业建筑结构设计要点

2.1钢材种类的选择

虽然我国生产的碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，但由于受到轻钢结构对钢材较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能等要求的影响，真正适合用于轻钢结构的只有碳素钢和合金钢中少数几种钢材，当采用设计规范还未推荐的其它钢材时，应有可靠的依据，以确保轻钢结构安全。大量工程实践经验表明，素钢中的Ｑ２３５钢以及合金钢中的Ｑ３４５钢是最适合用于轻钢结构的钢材。刚架、吊车梁等存在大量焊接工艺的主要结构构件应采用Ｑ２３５Ｂ级钢或Ｑ３４５Ｂ级钢，根据当前市场上的钢材价格，若刚架跨度、间距较小、荷载不大、吊车吨位较小时，刚架、吊车梁采用Ｑ２３５Ｂ级钢，否则采用Ｑ３４５Ｂ级钢，檩条、支撑、抗风柱等焊接工艺量不大的次要结构构件均可采用Ｑ２３５Ａ级钢，都能获得较好的经济效益。

2.2承重柱

轻钢结构工业建筑的承重柱一般多采用焊接工字形截面柱或热轧Ｈ形截面柱，无吊车的较低工业建筑宜采用柱脚小、柱顶大的楔形变截面柱，有较大吨位吊车的工业建筑宜采用等截面柱，当由于刚架高度、跨度、风荷载很大同时又带有很大吨位的吊车时宜采用阶梯形柱，肩梁或牛腿以下的为较大的等截面字工形柱或格构式柱，肩梁或牛腿以上的上段为较小等截面工字形柱。上、下段柱是通过肩梁或牛腿连为一体的。上段柱内翼缘应当以开槽口的形式直插到肩梁或牛腿的下翼缘并与之全熔透焊接。

2.3承重梁

轻钢结构工业建筑的承重梁也多为焊接工字形截面柱或热轧Ｈ形截面，截面尺寸除满足强度、稳定、挠度、翼缘宽厚比、腹班板高厚比等要求外，还应通过合理的截面变化和分段以达到经济合理、运输安装方便的要求，例如弯距变化幅度较大的梁段可采用楔形变截面工字形截面，弯距变化幅度不大的梁段宜采用等截面工字形截面。

2.4吊车梁

考虑到钢材的强度高而钢构件稳定性差得特点，吊车梁一般都设计成上翼缘较宽且厚、下翼较窄且薄的单轴对称焊接工字形截面，当吊车梁跨度较大时，也可将吊车梁设计成两端向跨中逐渐变高的鱼腹型梁，同时宜采用制动梁或制动桁架作为吊车梁上翼缘的侧向支撑。吊车梁由于受到竖向、横向、纵向三个方向荷载的作用，所以设计时应采取良好的连接方式来传递三向荷载，例如吊车梁与牛腿采用一对间距较小的高强度螺栓来连接时不但传力安全可靠，又不改变其简支梁的特性。

2.5屋盖横向支撑

屋盖横向支撑一般均可采用带张紧装置的十字交叉圆钢，交叉夹角应在３０°～６０°范围内，接近４５°为宜。同一开间内两相临横向支撑之间应设置刚性系杆，屋面檩条（单檩条或双檩条）若能满足对压弯构件的刚度和承载力要求，屋面檩条则可兼作刚性系杆。

2.6柱间支撑

轻钢工业建筑的主要承重结构门式刚架侧向刚度相对于面内刚度而言要小得多，但承受的面外的水平力并不小，因此柱间支撑的截面大小及连接方式均应由计算确定。如果无吊车或吊车吨位较小，同时风荷载、雪荷载不大的轻钢建筑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢作柱间支撑，否则应采用角钢或槽钢等热轧型钢作柱间支撑。若柱间支撑为十字交叉形，则交叉夹角应在３５°～５５°范围内，接近４５°为宜。阶梯形下段柱截面较大时柱间支撑一般宜设计成双片，双片支撑之间采用单角钢的缀条相连。

上段柱柱间支撑一般可设计成单片。当上、下段柱柱高相对于柱距较大时，上、下段柱的柱间支撑应分层设置，同时上、下层柱间支撑之间必须设置经过计算的刚性系杆，牛腿或肩梁上、下两侧的柱间支撑之间的刚性系杆可由吊车梁代替。支撑的连接宜采用焊接或高强度螺栓连接。大量的分析研究表明，许多钢结构建筑工程事故的主要原因都不是因为构件强度不足，而是构件丧失了整体稳定，因此支撑、刚性系杆等侧向构件的计算与构造是轻钢结构工业建筑设计的一大重点。

2.7檩条与抗风柱

屋面檩条和墙面檩条的跨度和荷载不大时一般多采用Ｃ型或Ｚ型冷弯薄壁型钢，屋面檩条的力学计算模型是双向受弯的简直梁或连续梁，当屋面双檩条兼作刚性系杆时，还应具备作为压弯构件所必须的刚度和承载力，否则应采用钢管、型钢或其它截面的杆件作刚性系杆。为达到轻钢建筑整体美观、压型彩钢板防腐蚀、抗碰撞的效果，室内地面以上一定高度范围内的墙体多采用砖墙或砌块墙，墙面压型彩钢板底部可固定在砖墙或砌块墙顶的钢筋混凝土压顶上，同时考虑到压型彩钢板自身在面内也具备较大的刚度，墙面檩条的力学计算模型可视为仅承受水平风荷载而不承受竖向荷载的单向受弯的简直梁或连续梁。

屋面檩条和墙面檩条还应按相关规范设置拉条、撑杆和隅撑。屋面檩条和墙面檩条当跨度和荷载较大时宜采用轻型槽钢、工字钢，屋面檩条也可采用由角钢制成的桁架。抗风柱由于所受的竖向力远小于水平力，因此力学计算模型可近视的简化成单向受弯的简直梁，抗风柱可采用热轧Ｈ型钢截面。

2.8节点构造

单层轻钢结构工业建筑梁、柱多采用焊接工字形截面或热轧Ｈ形截面。在弱轴方向钢柱与侧向构件的连接多采用铰接，而强轴方向钢柱与钢梁的连接多采用刚接；无吊车或吊车吨位较小时钢柱柱脚与基础多采用铰接，吊车吨位较大时钢柱柱脚与基础多采用刚接。为了解决钢柱柱脚防腐的问题，通常将钢柱柱脚用较低标号的细石混凝土包裹（保护层的厚度不宜小于５０ｍｍ），并使包裹的混凝土高出室内地面１００ｍｍ～１５０ｍｍ，并宜在包裹柱脚的混凝土中配置少量的水平环形箍筋和竖向架立筋以避免出现裂纹。

３.地基基础如果场地地质条件比较好，轻钢结构工业建筑的基础一般采用柱下独立基础，由于室内地面以上一定范围内的墙体或一层窗窗台以下的墙体多采用砌体墙，因此墙下一般多采用现浇钢筋砼基础梁来承受砌体墙并能有限的抵抗基础不均匀沉降，同时由于室内外高差的存在，基础梁还起到挡土的作用。如果场地地质条件较差但没有较大吨位的吊车荷载作用于刚架柱上，可优先采用合适的地基处理方法来抵抗基础较小的不均匀陈降现象。如果场地地质条件很差而且又存在较大吨位的吊车荷载作用于刚架柱上，通过地基处理的方法已经无法解决由于基础不均匀沉降引起的吊车爬坡导致不能正常工作的问题时，可采用现浇钢筋砼条形基础或桩基础，当采用桩基础时应根据当地的实际情况选用经济合理、安全可靠的桩种类，比如在条件允许时可优先采用钢筋混凝土预制管桩，考虑到轻钢结构工业建筑钢柱柱脚轴力较小而弯矩较大的特点，将承台底刚架平面内方向上的基桩间距设计得较大一些，一般可取得经济合理、安全可靠的效果。

3使用软件计算时建模技巧和计算图文的分析

目前门式刚架电算软件以中国建筑科学研究院开发的ＰＫＰＭ系列软件的中ＳＴＳ模块在实际设计工作中应用较为广泛，因此本文按ＳＴＳ模块中门式刚架二维设计来介绍门式刚架的建模技巧和计算图文件分析。

3.1模型建立

门式刚架的轴线既可采用网格生成中各种工具栏绘制，也可采用模块化输入跨数、跨度、单双坡、坡度、柱顶标高、牛腿标高、屋面坡度等信息快速建模生成轴线省时省力、既快又准，钢梁分段时宜尽量将梁段拼接节点设置在弯矩较小的部位，并根据刚架梁上内力图特点、加工、运输、吊装能力等综合因素确定梁段的长度和段数，楔形钢梁、钢柱楔率不宜过大，通常每延米变化幅度不大于６０ｍｍ时腹板可取得较大的高厚比，在满足腹板高厚比和翼缘宽厚比的前提下，将梁、柱设计成“薄而大”的截面因能以较少的钢材获得较大的截面抵抗矩，故既能达到控制住结构变形又能取得较好的经济性。

由于门式刚架结构变形以及强度受荷载影响敏感，因此实事求是的输入竖向荷载也是取得经济合理效果的关键因素，钢梁上的竖向恒荷载主要是屋面维护体系的自重，实际工程中屋面多采用内夹轻质保温材料的夹芯板，内外带彩色防腐涂层的压型钢板厚度一般多在０．６ｍｍ以下，内夹聚氨酯、玻璃棉等轻质保温材料厚度一般都不超过１００ｍｍ，包括屋面冷弯薄壁型钢檩条、屋面水平支撑、拉条、撑杆、隅撑、刚性系杆等在内的屋面体系自重一般每平米仅０．２２～０．３０ＫＮ，采用不保温的单层压型彩涂板的仓库，屋面体系自重更小，一般每平米仅０．１９～０．２５ＫＮ，因此不建议无根据的在钢梁上输入较大的恒荷载。

钢梁上的竖向可变荷载主要有两类，一是钢梁上的设备吊挂荷载，二是屋面集灰荷载和雪荷载，设备吊挂荷载按实际情况输入到钢梁上，至于集灰荷载仅在设计诸如水泥生产、金属冶炼等粉尘污染较大或位于沙尘暴频发地区的工业建筑才考虑其对结构的影响，除此之外的绝大对数轻钢结构工业建筑的屋面可变荷载可仅考虑雪荷载对结构的影响，对于单榀刚架的水平受荷投影面积大于６０平米时，可变荷载无须按《建筑荷载设计规范》中不上人屋面去取值，合理的可变荷载取值应该是当雪荷载每平米大于０．３０ＫＮ时，可变荷载可按实际的雪荷载取值，当雪荷载每平米小于０．３０ＫＮ时，可变荷载每平米可按０．３０ＫＮ取值，对于单榀刚架的水平受荷投影面积不大于６０平米时，则应按《建筑荷载设计规范》中不上人屋面取每平米０．５０ＫＮ。

输入风荷载时，应正确判断地面粗糙度类别，如果采用自动布置方式输入风荷载，需要注意的是对于自绘轴线建成的刚架，应检查柱脚标高是否为０．０００；吊车荷载输入时除应准确输入由吊车参数导算出的吊车最大轮压传至柱牛腿的反力、吊车最小轮压传至柱牛腿的反力、吊车横向荷载传至两侧柱上的水平力，还应考虑吊车梁自重在牛腿除产生的附加竖向荷载和附加弯矩对刚架的影响。

钢构件计算长度对稳定计算结果的主要影响因素，刚架梁、柱平面外计算长度一般取侧向支撑点之间的间距，满足计算和构造要求的屋面隅撑和柱间通长刚性系杆可分别作为刚架梁、柱侧向支撑点，同时施工图中控制隅撑和刚性系杆间距不得大于模型中刚架梁、柱平面外计算长度；除无吊车或吊车吨位较小以及个别摇摆柱以外，不宜大量设置铰接节点。

计算参数输入主要是合理选择结构类型和设计规范，对于高度不超过１２ｍ、吊车吨位不大于２０ｔ的门式刚架的结构类型都可选择为门式刚架轻型房屋钢结构按《门式刚架轻房屋钢结构技型术规程》去计算，根据大量的工程实践表明，高度在１２～１５ｍ之间、吊车吨位在２０～３２ｔ之间的门式刚架的结构类型还可选择为门式刚架轻型房屋钢结构按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》去计算、按《钢结构设计规范》去验算，刚架梁宜按压弯构件验算平面内的整体稳定性，活荷载应考虑不利布置对结构的影响。

3.2计算图文的分析

对计算结果的分析是模型纠错、优化设计的主要依据，因此设计者应对计算图文进行仔细比对分析。模型纠错主要是通过分析计算图文是否有异常状况从而逆向判断模型的正确性。例如如果发现钢柱牛腿位置轴力包络图无大的突变，则很可能是模型中漏掉了吊车荷载；应力比图中要是仅平面外应力比远远超标，则应首先检查模型中平面外计算长度取值是否正确；计算超限信息中变截面构件腹板高厚比控制远远严于《门式刚架轻房屋钢结构技型术规程》的要求，则很可能是因为变截面构件的楔率过大。

优化设计主要是根据应力比图、挠度图、位移图去调整刚架梁柱截面尺寸以取得最佳的经济效果，抗弯承载力比值超限时调整截面高度远比加大翼缘、腹板厚度更有效，平面外稳定应力比超限时调整翼缘宽度远比加厚翼缘厚度更有效，不受强度控制的刚架宜采用低强度的碳素钢钢材。

主要受强度控制的刚架宜采用高强度的合金钢材，解决翼缘宽厚比和腹板高厚比超限时采用低强度钢材比采用高强度钢材更有效，将刚架柱脚、粱柱节点设计成刚接比设计成铰接更能减小刚架的变形，对于３０ｍ以上大跨度的刚架，出于观瞻的考虑，更应高于轻钢规范的要求去从严控制钢梁的挠度。刚架优化设计实质就是在模型与实际工程相符、荷载输入不遗漏、计算参数选取合理的前提下，以试算结果为依据，通过不断调整构件截面规格使各项计算指标同时接近相关规范规定的控制值并留有适当的安全储备裕量的一个过程。

轻钢工程十多年的发展历程表明，其设计看似简单，实际上是设计者将大量新工艺、新材料、新技术等系统工程去进行有机的整合，其设计思想更容易受到市场变化、技术革新、施工水平差异以及自然环境差异的影响，因此好的设计应做到结合实际、因地制宜，随时了解行业动态，切不可脱离实践闭门造车。