门式刚架轻型钢结构厂房设计简述

钢结构房屋以其自重轻、抗震性能好、施工进度快等优点在轻重工业厂区应用日益广泛，在钢结构房屋中特别是门式刚架轻型钢结构厂房在轻重工业厂区应用最为广泛。本文就门式刚架轻型钢结构厂房设计做简要叙述，介绍其设计过程，总结其中常见的问题和处理办法。伴随着我国轻重工业的快速发展，钢结构房屋特别是门式刚架轻型钢结构厂房以其自重轻、抗震性能好、施工进度快在轻重工业厂区应用最为广泛。门式刚架轻型钢结构厂房依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002(以下简称《门规》)主要是指单跨或多跨，具有轻质屋盖、轻质外墙或砖砌外墙，无桥式吊车或起重量小于等于20t的A1~A5工作级别的桥式吊车、不大于3t悬挂式起重机的单层钢结构厂房。一、门式刚架轻型钢结构厂房设计过程依据设计经验，门式刚架轻型钢结构厂房设计过程如下：依据工艺等专业提资条件和天车条件确定厂房跨度，跨度尺寸尽量符合建筑模数，有时由于场地等因素的限制，不能按照以上模数取值，轻钢厂房也是完全可以做到的；柱距尺寸尽量符合建筑模数，有时因其它因素也可以灵活布置；按有无天车条件及厂房内部净空的要求来确定厂房的檐口高度；按照当地的降雨情况等因素确定厂房屋面的坡度，一般取值1/8~1/20；还有根据地域或工艺等专业要求确定屋面、墙面的维护材料。设计荷载的取值：（1）屋面荷载依据维护材料、当地的气候条件、屋面的积灰情况等确定屋面恒活荷载的取值。一般彩钢板维护时取恒荷载标准值为：0.3kN/m2，活荷载标准值按《门规》可取0.5kN/m2，当受荷水平投影面积大于60m2时，屋面均布活荷载标准值可取为0.3 kN/m2；当厂房是多跨或高低跨计算雪荷载时，应按《建筑结构荷载规范》6.2章节选取积雪分布系数；当积灰荷载、屋面活荷载、雪荷载同时存在时应按照《建筑结构荷载规范》4.4.3条和《门规》3.2.5条合理取值；（2）吊车荷载，对有吊车的轻钢厂房应计算作用在排架牛腿上的竖向荷载和横向水平荷载，此荷载可按照《建筑结构荷载规范》第5章节计算。（3）风荷载，主要是风荷载标准值、风荷载体型系数、风压高度变化系数的取值。此荷载可按照《建筑结构荷载规范》和《门规》相关章节进行取值。（4）其它荷载，依据笔者的设计经验主要有屋面梁悬挂吊车荷载，屋面梁通风天窗荷载、柱侧管道支架荷载等荷载。屋面梁悬挂吊车荷载可分恒、活荷载加载在悬挂吊车作用屋面梁处；屋面梁通风天窗荷载可分恒、活、凤荷载作用于天窗与屋面梁节点处；柱侧管道支架荷载可分恒、活荷载作用在柱侧支架与柱节点处。2、刚架构件的设计：（1）依据《门规》4.1.4条厂房柱脚可设计为铰接或刚接。柱脚铰接时柱依据结构的受力情况可设计为变截面柱，变截面柱使柱外侧平齐，柱的定位轴线可按柱下端（较小端）中心；柱脚刚接时应将柱做成等截面柱，柱的定位轴线应根据上柱的高度、吊车边缘到上柱内边缘的距离确定，此时轴线会不在柱截面中心线处。（2）构件材料的选择.，经常选择的是Q235和Q345.。当稳定控制时,宜使用Q235；强度起控制作用时,可选择Q345。依据《钢结构设计规范》3.3章节，对选用Q235钢，有些部位不能应用沸腾钢，对于需要验算疲劳的焊接构件应依据当地的气候条件适当选取B、C、D类钢材。（3）柱截面按长细比估算. 通常按50＜λ＜150, 一般取值在80左右。柱与梁设计为刚接，梁的截面可依据受力包罗图分段设计，当为单跨且中间无柱时，一般依据跨度按0.25~0.50~0.25来对称划分截面，将两端0.25部分取变截面，中间0.50部分取等截面，这样设计可以充分发挥梁截面的受力性能，减少钢材用量，降低工程造价；梁截面高度一般在跨度的1/20~1/50之间选择，翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可避免钢梁的整体稳定的复杂计算，这种设计方法较简单，确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定估算；梁截面选取时尽量做到“高腹薄壁”；有时为加快工程进度也可选取成型钢材。（4）梁柱截面的验算包括强度、稳定性、刚度三方面。对钢柱一般均为压弯剪构件，钢梁起控制作用的为弯剪力，相关验算按照《门规》和《钢结构设计规范》等规范相关章节计算。这里需要注意的是柱的平面外计算长度可依据《钢结构设计规范》5.3.7条取值，梁的平面外计算长度可依据隅撑的间距取值。当验算截面不能满足时，加大截面应该分两种情况： (1) 强度不满足时,通常加大截面的板件厚度,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度（腹板抗剪，翼缘抗弯）。(2) 变形超限，通常加大截面的高度，因为截面特性与截面高度是n次方的关系，加大截面厚度会很不经济。（5）刚架节点连接，主要有梁柱节点、梁梁节点、牛腿节点、柱脚节点设计。梁柱节点、梁梁节点连接中通常采取摩擦型高强度螺栓连接，相关计算参见《门规》和《钢结构设计规范》等规范相关章节；牛腿节点主要受弯剪力，设计时应利用腹板抗剪，翼缘抗弯，通常牛腿上下翼缘与柱采用焊透的V形对接焊缝，也可以采用角焊缝，此时角焊缝的大小应根据牛腿翼缘传来的水平力F=M/H计算，腹板采用的角焊缝大小由剪力V确定；柱脚节点应依据刚接和铰接形式进行设计，相关设计参见《门规》和《钢结构设计规范》等相关章节，此时因钢结构自重较轻，依据《钢结构设计规范》8.4.13条，一般情况下均需设置抗剪键。