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摘要：本文对近年来为业界越来越多使用的门式刚架结构设计进行了深入而广泛的探讨，并根据笔者的实践经验提出了相关论述，仅供参考。
关键词：门式；刚架结构；设计
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
近年来，随着国民经济建设对建筑业的需求不断增长，在工业建筑中，门式刚架结构被广泛使用。门式刚架结构具有以下特点：①抗震性能好，比其他的结构抗震性能要提高很多，②重量轻，强度高，轻型门式刚架结构自重为31kg/㎡左右，约为普通钢筋混凝土结构的1/2。重量轻的特性将降低基础的造价；强度高的特性决定了适用于大跨度，大柱网，增大了使用面积。③钢结构可拆卸利用，对环境的污染小，有利于环保。④主要钢构件工厂化，施工的速度快，有助于建筑产业化的发展。
1 屋面活荷载的确定
《钢结构设计规范》（GB50017）作为门式刚架结构设计的主要依据，根据《钢结构设计规范》可知：不上人屋面的活荷载为0.5kN/㎡,如果构件的承受荷载面积大于60㎡时，可以取面积折减系数0.6，门式刚架上部的承载面积一般都大于60㎡，基本都满足此条件，故设计时活荷载可取值为0.3 kN /㎡，此种取值对于刚架的设计应该是没有问题的，但是全面考虑整个屋面结构，包括屋面檩条和屋面板，如果全部设计都按照0.3kN /㎡取值，偏于冒险，我们参考了国外相关规范考虑到0.15kN/㎡~0.60kN/㎡的附加荷载。而笔者查阅相关的规范，包括：《钢结构设计规范》（GB50017）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）都未对此问题作出规定，据笔者所见现在有的框架梁过细，檩条过小，有明显克扣荷载的现象，如果遇到特殊的超载情况例如大风、大雪或其他原因，整个结构就会出现安全隐患，所以笔者还是建议活荷载取0.5kN /㎡。
2 结构力学设计方法及考虑抗震影响的设计
门式刚架由于其受力情况，一般都采用变截面结构设计，而变截面结构必须采用弹性分析方法确定各种内力（《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求），弹塑性分析方法仅在结构均为等截面构件时才使用。变截面门式刚架一般均采用平面结构分析内力，而不考虑应力蒙皮效应。由于单层门式刚架结构自重小，承载力一般不考虑地震作用效应组合，所以我们既可以认为不需进行抗震计算。但按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，对于宽度较大的刚架或竖向高度很大的刚架，或长度很大的纵向刚架，包括有夹层、吊重、桥式吊车等结构情况，则必须考虑地震作用效应，必须进行包括地震荷载作用的组合验算。笔者对不同情况进行了计算分析可知，对于单层门式刚架（无吊车），地震烈度考虑为6度至7度时，地震作用对门式刚架的设计没有任何影响；对于地震烈度为8度或更大时，同时考虑刚架的跨高比大于3.5，地震作用对门式刚架结构设计仍然没有任何影响；当刚架的跨高比设定为1.5~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起到较大作用，且跨高比为 1.5 时，地震作用的影响最大。
3 结构的优化设计
设计过程除了保证正常使用的安全外，还要最大可能的发挥出门式刚架轻型房屋结构的长处和优点。由于轻型钢结构构件在生产过程中任意性较大，轻质屋（墙）面的布置十分灵活。上述优点保证了门式刚架轻型房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。也就为我们设计者提出了保证设计合理化、结构安全化、降低投资造价等优化要求。
3.1 结构跨度的确定
厂房跨度往往由生产工艺流程和厂房使用功能等因素决定着，大部分投资方都会要求设计者按照自己的使用需要，确定经济合理的结构跨度。在满足使用者的生产工艺和使用功能的基础上，结构的高度是确定结构的跨度的较大影响因素。经过笔者比对演算，如果确定柱高及上部荷载，适当加大结构跨度，整体结构的用钢量并无较大程度增加，但是加大了可利用空间，降低了基础造价，取得了较大的综合效益。
经验算可知，设定檐高为6m、柱距为7.5m，且荷载情况完全相同时，跨度在18~30m范围内的刚架，单位面积用钢量（Q345B）为18~28kg/㎡，当跨度在 21~48m范围内的刚架，单位用钢量为25~40kg/㎡。但是，一旦跨度超过48m时尽量采用多跨刚架（且中间必须设置摇摆柱），其用钢量与单跨刚架比较，节约 18%左右，因此设计门式刚架时，必须根据具体情况、投资者的要求来选择合理跨度的刚架，而不宜盲目追求大空间、大跨度。
3.2 结构最优柱距的确定
刚架柱距的选择需考虑如下因素：1、刚架的跨度2、屋面荷载3、檁条形式，如果要求为较小刚架跨度，而选用了较大的柱距，会增加檩条使用量，加大了用钢量，这对业主而言是不负责任的。门式刚架存在着最优柱距范围，即门式刚架的柱距应设定在6m~9m之间，超过9m时屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加过多，没有达到减少造价的目的。
4 抗风柱的设计以及与刚架的连接
抗风柱是门式刚架中支撑山墙的墙板抵抗水平风荷载作用的主要构件。抗风柱的上端与刚架梁相连，下端设置单独的基础。在工作中，我将抗风柱的设计理念归纳成了三种。(1)悬臂梁式：这种设计形式从过去的重屋面单层工业厂房就有。主要特点是抗风柱柱脚刚接，相当于我们一般的悬臂梁受力形式，抗风柱本身独立承受墙面传递的风荷载。我们可以一些图纸中见到，在抗风柱的顶部加设弹簧板，与主刚架连接，就是这种设计理念。(2)简支梁式：简支梁式的抗风柱受力形式简单，截面较小；柱脚采用铰接、顶部与主刚架铰接，铰接节点加工和安装比较方便。风荷载通过抗风柱传递到主刚架，依靠主刚架的支撑体系承受着水平风荷载，能发挥整个结构的承载能力。(3)结构柱式：把抗风柱作成结构的一部分，在承受结构荷载的同时承受风荷载。对于轻钢厂房来说，它的缺点是增加了加工的品种，边跨和中间跨明显不一致，在设置支撑体系时，也因为截面不同，使支撑的节点构造比较烦琐，但是结构柱式的抗风柱作为结构的一部分，在承受结构荷载的同时承受风荷载，而且对于钢结构框架结构来说，上面的缺点不明显，还可以明显提高承载能力，降低成本，减小构件截面，因此是比较合理的选择。
目前门式刚架抗风柱的设计存在两种错误的做法：一种是刚架与抗风柱在一条轴线上，但不考虑抗风柱的荷载，刚架梁与抗风柱之间用一块钢板通过焊缝相连。另一种做法是将钢架与抗风柱做成一样，刚架梁与抗风柱或铰接或刚接，抗风柱既参与竖向荷载作用又参与抗风水平荷载的作用，而设计人员容易忽视刚架的纵向抗风验算，这样就导致漏算了荷载，是很危险的。以上两种设计方式都存在弊端，因此在设计的时候一定要引起足够的重视。
5 结束语
轻型钢结构是近半个世纪来，国内外应用与发展速度最快、使用最多的新型钢结构形式，被广泛应用于工业、民用和较大空间的公共建筑，除了具有传统钢结构的施工速度快、结构空间大等优点外，还具有钢材用量更少、建筑类型更自由、造价低廉等更大的综合优势。特别是近年来，钢结构在我国的迅猛发展，使得门式刚架结构体系作为一种有较大优势的轻型钢结构，在我国更是大量的设计和使用。由于我国轻钢结构起步较晚，在理论和实践中与世界先进水平仍有较大差距，所以建议在设计中，对于门式刚架构件的截面尺寸需经多次试算才可确定。目前部分钢结构设计人员的设计经验还很少，选择的截面形式容易造成结构整体的应力不均，且经济指标不合理，甚至影响整体结构的安全度。因此为了保证安全、增加经济效益，必须要求相关设计人员进一步扭转我们的设计观念，以工程的设计质量为先，推动我国门式刚架轻型钢结构的向前发展。
参考文献：
[1] 徐永明。浅谈轻型门式刚架结构设计[J]；工业建筑， 2008，（8）.
[2] GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[3] 陈跃，高轩能，门式刚架优化设计方法研究；南昌大学学报(工科版)，2010，（11）.
关键词：门式；刚架结构；设计
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
近年来，随着国民经济建设对建筑业的需求不断增长，在工业建筑中，门式刚架结构被广泛使用。门式刚架结构具有以下特点：①抗震性能好，比其他的结构抗震性能要提高很多，②重量轻，强度高，轻型门式刚架结构自重为31kg/㎡左右，约为普通钢筋混凝土结构的1/2。重量轻的特性将降低基础的造价；强度高的特性决定了适用于大跨度，大柱网，增大了使用面积。③钢结构可拆卸利用，对环境的污染小，有利于环保。④主要钢构件工厂化，施工的速度快，有助于建筑产业化的发展。
1 屋面活荷载的确定
《钢结构设计规范》（GB50017）作为门式刚架结构设计的主要依据，根据《钢结构设计规范》可知：不上人屋面的活荷载为0.5kN/㎡,如果构件的承受荷载面积大于60㎡时，可以取面积折减系数0.6，门式刚架上部的承载面积一般都大于60㎡，基本都满足此条件，故设计时活荷载可取值为0.3 kN /㎡，此种取值对于刚架的设计应该是没有问题的，但是全面考虑整个屋面结构，包括屋面檩条和屋面板，如果全部设计都按照0.3kN /㎡取值，偏于冒险，我们参考了国外相关规范考虑到0.15kN/㎡~0.60kN/㎡的附加荷载。而笔者查阅相关的规范，包括：《钢结构设计规范》（GB50017）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）都未对此问题作出规定，据笔者所见现在有的框架梁过细，檩条过小，有明显克扣荷载的现象，如果遇到特殊的超载情况例如大风、大雪或其他原因，整个结构就会出现安全隐患，所以笔者还是建议活荷载取0.5kN /㎡。
2 结构力学设计方法及考虑抗震影响的设计
门式刚架由于其受力情况，一般都采用变截面结构设计，而变截面结构必须采用弹性分析方法确定各种内力（《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求），弹塑性分析方法仅在结构均为等截面构件时才使用。变截面门式刚架一般均采用平面结构分析内力，而不考虑应力蒙皮效应。由于单层门式刚架结构自重小，承载力一般不考虑地震作用效应组合，所以我们既可以认为不需进行抗震计算。但按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，对于宽度较大的刚架或竖向高度很大的刚架，或长度很大的纵向刚架，包括有夹层、吊重、桥式吊车等结构情况，则必须考虑地震作用效应，必须进行包括地震荷载作用的组合验算。笔者对不同情况进行了计算分析可知，对于单层门式刚架（无吊车），地震烈度考虑为6度至7度时，地震作用对门式刚架的设计没有任何影响；对于地震烈度为8度或更大时，同时考虑刚架的跨高比大于3.5，地震作用对门式刚架结构设计仍然没有任何影响；当刚架的跨高比设定为1.5~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起到较大作用，且跨高比为 1.5 时，地震作用的影响最大。
3 结构的优化设计
设计过程除了保证正常使用的安全外，还要最大可能的发挥出门式刚架轻型房屋结构的长处和优点。由于轻型钢结构构件在生产过程中任意性较大，轻质屋（墙）面的布置十分灵活。上述优点保证了门式刚架轻型房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。也就为我们设计者提出了保证设计合理化、结构安全化、降低投资造价等优化要求。
3.1 结构跨度的确定
厂房跨度往往由生产工艺流程和厂房使用功能等因素决定着，大部分投资方都会要求设计者按照自己的使用需要，确定经济合理的结构跨度。在满足使用者的生产工艺和使用功能的基础上，结构的高度是确定结构的跨度的较大影响因素。经过笔者比对演算，如果确定柱高及上部荷载，适当加大结构跨度，整体结构的用钢量并无较大程度增加，但是加大了可利用空间，降低了基础造价，取得了较大的综合效益。
经验算可知，设定檐高为6m、柱距为7.5m，且荷载情况完全相同时，跨度在18~30m范围内的刚架，单位面积用钢量（Q345B）为18~28kg/㎡，当跨度在 21~48m范围内的刚架，单位用钢量为25~40kg/㎡。但是，一旦跨度超过48m时尽量采用多跨刚架（且中间必须设置摇摆柱），其用钢量与单跨刚架比较，节约 18%左右，因此设计门式刚架时，必须根据具体情况、投资者的要求来选择合理跨度的刚架，而不宜盲目追求大空间、大跨度。
3.2 结构最优柱距的确定
刚架柱距的选择需考虑如下因素：1、刚架的跨度2、屋面荷载3、檁条形式，如果要求为较小刚架跨度，而选用了较大的柱距，会增加檩条使用量，加大了用钢量，这对业主而言是不负责任的。门式刚架存在着最优柱距范围，即门式刚架的柱距应设定在6m~9m之间，超过9m时屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加过多，没有达到减少造价的目的。
4 抗风柱的设计以及与刚架的连接
抗风柱是门式刚架中支撑山墙的墙板抵抗水平风荷载作用的主要构件。抗风柱的上端与刚架梁相连，下端设置单独的基础。在工作中，我将抗风柱的设计理念归纳成了三种。(1)悬臂梁式：这种设计形式从过去的重屋面单层工业厂房就有。主要特点是抗风柱柱脚刚接，相当于我们一般的悬臂梁受力形式，抗风柱本身独立承受墙面传递的风荷载。我们可以一些图纸中见到，在抗风柱的顶部加设弹簧板，与主刚架连接，就是这种设计理念。(2)简支梁式：简支梁式的抗风柱受力形式简单，截面较小；柱脚采用铰接、顶部与主刚架铰接，铰接节点加工和安装比较方便。风荷载通过抗风柱传递到主刚架，依靠主刚架的支撑体系承受着水平风荷载，能发挥整个结构的承载能力。(3)结构柱式：把抗风柱作成结构的一部分，在承受结构荷载的同时承受风荷载。对于轻钢厂房来说，它的缺点是增加了加工的品种，边跨和中间跨明显不一致，在设置支撑体系时，也因为截面不同，使支撑的节点构造比较烦琐，但是结构柱式的抗风柱作为结构的一部分，在承受结构荷载的同时承受风荷载，而且对于钢结构框架结构来说，上面的缺点不明显，还可以明显提高承载能力，降低成本，减小构件截面，因此是比较合理的选择。
目前门式刚架抗风柱的设计存在两种错误的做法：一种是刚架与抗风柱在一条轴线上，但不考虑抗风柱的荷载，刚架梁与抗风柱之间用一块钢板通过焊缝相连。另一种做法是将钢架与抗风柱做成一样，刚架梁与抗风柱或铰接或刚接，抗风柱既参与竖向荷载作用又参与抗风水平荷载的作用，而设计人员容易忽视刚架的纵向抗风验算，这样就导致漏算了荷载，是很危险的。以上两种设计方式都存在弊端，因此在设计的时候一定要引起足够的重视。
5 结束语
轻型钢结构是近半个世纪来，国内外应用与发展速度最快、使用最多的新型钢结构形式，被广泛应用于工业、民用和较大空间的公共建筑，除了具有传统钢结构的施工速度快、结构空间大等优点外，还具有钢材用量更少、建筑类型更自由、造价低廉等更大的综合优势。特别是近年来，钢结构在我国的迅猛发展，使得门式刚架结构体系作为一种有较大优势的轻型钢结构，在我国更是大量的设计和使用。由于我国轻钢结构起步较晚，在理论和实践中与世界先进水平仍有较大差距，所以建议在设计中，对于门式刚架构件的截面尺寸需经多次试算才可确定。目前部分钢结构设计人员的设计经验还很少，选择的截面形式容易造成结构整体的应力不均，且经济指标不合理，甚至影响整体结构的安全度。因此为了保证安全、增加经济效益，必须要求相关设计人员进一步扭转我们的设计观念，以工程的设计质量为先，推动我国门式刚架轻型钢结构的向前发展。
参考文献：
[1] 徐永明。浅谈轻型门式刚架结构设计[J]；工业建筑， 2008，（8）.
[2] GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[3] 陈跃，高轩能，门式刚架优化设计方法研究；南昌大学学报(工科版)，2010，（11）.