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摘要：门式刚架是一种典型的轻型钢结构，它具有节省材料、施工周期短等优点，因而也是目前在国内应用最为广泛的轻型钢结构。
关键词：轻型；门式钢架；设计
中图分类号：S611文献标识码： A
引言
轻型钢结构以其施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、造价低廉等优势，越来越受国内外建筑商所青睐。而门式刚架结构体系作为轻型钢结构的一种形式，伴随着我国经济的高速发展，广泛应用于工业、居住和公共建筑，其发展是相当迅速的。
一、规范的选择
门式钢架轻型房屋钢结构是门式刚架的一种特殊情况，主要表现在具有轻型屋盖和轻型外墙、吊车荷载不大、房屋平均高度和跨度均不是太大。因此当有关工程条件不满足<<门式钢架轻型房屋钢结构技术规程>>[CECS 102∶2002-（2012年版）]的适用范围时，设计不应依据该规程的规定，而应执行<<钢结构设计规范>>(GB 50017-2003)的有关规定，有抗震设防要求的地区还应执行<<建筑抗震设计规范>>(GB 50011-2010)的有关规定。对于底部为多层钢框架上部为门式刚架轻型房屋的钢结构，上部结构可参照<<门式钢架轻型房屋钢结构技术规程>>设计，下部结构按<<钢结构设计规范>>设计，并进行整体抗震分析。门式钢架轻型房屋钢结构的构件厚度较薄，因此不适用于有强侵蚀介质的环境，如特殊化工产品的生产车间等。
二、门式钢架轻型钢结构设计要点
1、基础与柱脚节点
基础形式的选择应根据建筑物所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑,对于轻钢结构而言,虽然柱网尺寸较大,但上部结构传至柱脚的内力较小,一般以独立基础为主。若地质条件较差,可考虑采用条形基础,遇到不良地质情况,可考虑采用桩基础。一般情况下不采用筏形基础和箱形基础。
对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外,由于存在较大的水平力,对于固接柱脚,还存在较大的弯矩作用,从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外,在风荷载较大的情况下,特别对于一些敞开和半敞开的结构,轻钢结构自重很轻,有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力,导致基础上拔破坏。
为了防止这些破坏的发生,最经济有效的办法是增加基础埋深,对于轻钢结构基础,还需预埋锚栓(也称地脚螺栓),用于上部结构和基础的连接,若锚栓离混凝土基础边缘太近,会产生基础劈裂破坏,因此,锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm,若锚栓长度过短,会使锚栓从基础中拔出,导致基础破坏,所以规范也规定了锚栓埋入长度。
柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚和铰接柱脚。在实际工程中,绝对钢接和绝对铰接都是不可能的,确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。钢接和铰接柱脚关键在于锚栓布置,铰接柱脚一般采用两个锚栓,刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的区别在于对侧移的控制,如果结构对侧移控制较严,则采用钢接柱脚,例如有吊车荷载的情况,应将柱脚设计成钢接柱脚,其余情况下,柱脚应设计成铰接。一般情况下,柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的,若不满足要求,则须设置抗剪键。
2、支撑和钢性系杆的设置
支撑体系在门式刚架轻钢结构中具有十分重要的作用,主要体现在以下几个方面：将各个平面钢架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构；为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点；减小平面外的计算长度；明确、合理、简捷的传递风力、温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。
轻型门式刚架结构的标准支撑系统有斜交叉支撑、门架支撑、和柱脚绕弱轴抗弯固结的刚架柱支撑。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种,一般情况下采用柔性支撑,有吊车的情况下采用钢性支撑。由于建筑功能和外观的要求,在某些开间内不能设置交叉支撑,这时可以设置门架支撑。柱底脚与基础固接绕弱轴抗弯柱支撑大多用于遮蔽建筑物结构,如汽车停车场结构等。
連接中间各榀钢架的屋面系杆,一般在檐口、跨中设置三道,但考虑到檩条和屋面钢板组成的外蒙皮所具有的蒙皮效应,这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代。
3、梁、柱拼接节点设计
梁、柱拼接节点一般按钢接节点计算，但往往由于端部封板较簿而导致与计算有较大出入，故应严格控制封板厚，以保证端板有足够刚度。有的设计斜梁与柱按刚接计算而实际工程则把钢柱省去，把斜梁支承在钢筋混凝土柱或砖柱上，造成工程事故，设计时应注意把节点构造表达清楚，节点构造一定要与计算相符。多跨门式钢架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱和斜梁焊死致使计算简图与实际构造不符，造成工程事故。有的工程在门式刚架斜梁拼接时，把翼缘和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工隐患，设计拼接接头时翼缘接头和腹板接头一定要错开。门式钢架斜梁和钢柱的翼缘板或腹板可以变厚度，但有的单位翼缘板由20mm突然变成8mm，相邻板突变对受力很不利，设计时应逐步变薄，一般以2mm至4mm板厚的级差变化为宜。
4、荷载与内力计算
荷载，恒载：由主材、压型彩板、保温材料及轻质吊顶灯等构件自重确定；活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载、积灰荷载和雪荷载等。门规中规定屋面均布活荷载不应小于0.5kN/m2,不过对于受荷水平投影面积大于60m²的刚架构件，屋面均布活荷载不应小于0.3kN/m2。在考虑荷载组合作用时，均布活荷载与雪荷载不同时考虑，取其中较大值计算；积灰荷载与雪荷载和均布活载中的较大值必须同时考虑；检修荷载只与结构自重荷载同时考虑；风载：现行的门规是以建筑结构荷载规范（GB50009-2001）为基础进行风荷载取值。根据门式刚架不同的部位，体型系数选择应按照门规里的表A.0.2-（1～4）取用；计算温差原则上应取安装时温度和安装后结构可能遇到的最冷温度和最热温度之差。如安装设计时间无法确定，一般室内采暖和非采暖钢结构温差可取25～30°，室外露天钢结构温度可取40～50°；吊车：按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定取用，有多台吊车共同作用时，吊车的组合一般不超过两台；计算吊车梁的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台确定，吊车轮压按标准值计算；地震作用：按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定取用，不与风荷载作用同时考虑。
变截面门式钢架应采用弹性分析方法确定各种工况下的内力，仅构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017)的规定进行设计。但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时，通常取单榀钢架按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。计算内力时可采用有限元法(直接刚度法)。计算时宜将变截面钢架梁、柱构件划分为若千段，每段可视为等截面，也可采用楔形单元。当需要手算校核时，可采用一般结构力学的方法(如力法，位移法，弯矩分配法等)或利用静力计算的公式、图表进行。刚架的最不利内力组合应按梁、柱控制截面分别进行，一般可选柱底、柱顶，柱牛腿以及梁端，梁跨中截面等处进行组合并进行截面验算。
结束语
轻型门式钢架结构具有很好的发展潜力和空间，并以其自身诸多优点在工程设计中越来越广泛的被应用。二十一世纪将是我国钢结构快速发展时期。门式钢架轻型房屋钢结构在我国应用广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍很多。作为工程设计人员有责任和义务使结构设计做到经济合理，安全可靠，这样才能使我国的建筑工程取得更好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]邱孝朗.轻型钢结构门式钢架厂房结构设计探讨[J].中国高新技术企业，2011，(19)：32-33.DOI：10.3969/j.issn.1009-2374.2011.19.013.
[2]赵晓阳，苗春.门式刚架轻型钢结构设计[J].中国建筑金属结构，2013，(10)：41-41,48.
[3]杨文武.门式钢架轻型钢结构几种特殊情形的结构设计探讨[J].福建建设科技，2013，(2)：22-26,6.
关键词：轻型；门式钢架；设计
中图分类号：S611文献标识码： A
引言
轻型钢结构以其施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、造价低廉等优势，越来越受国内外建筑商所青睐。而门式刚架结构体系作为轻型钢结构的一种形式，伴随着我国经济的高速发展，广泛应用于工业、居住和公共建筑，其发展是相当迅速的。
一、规范的选择
门式钢架轻型房屋钢结构是门式刚架的一种特殊情况，主要表现在具有轻型屋盖和轻型外墙、吊车荷载不大、房屋平均高度和跨度均不是太大。因此当有关工程条件不满足<<门式钢架轻型房屋钢结构技术规程>>[CECS 102∶2002-（2012年版）]的适用范围时，设计不应依据该规程的规定，而应执行<<钢结构设计规范>>(GB 50017-2003)的有关规定，有抗震设防要求的地区还应执行<<建筑抗震设计规范>>(GB 50011-2010)的有关规定。对于底部为多层钢框架上部为门式刚架轻型房屋的钢结构，上部结构可参照<<门式钢架轻型房屋钢结构技术规程>>设计，下部结构按<<钢结构设计规范>>设计，并进行整体抗震分析。门式钢架轻型房屋钢结构的构件厚度较薄，因此不适用于有强侵蚀介质的环境，如特殊化工产品的生产车间等。
二、门式钢架轻型钢结构设计要点
1、基础与柱脚节点
基础形式的选择应根据建筑物所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑,对于轻钢结构而言,虽然柱网尺寸较大,但上部结构传至柱脚的内力较小,一般以独立基础为主。若地质条件较差,可考虑采用条形基础,遇到不良地质情况,可考虑采用桩基础。一般情况下不采用筏形基础和箱形基础。
对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外,由于存在较大的水平力,对于固接柱脚,还存在较大的弯矩作用,从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外,在风荷载较大的情况下,特别对于一些敞开和半敞开的结构,轻钢结构自重很轻,有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力,导致基础上拔破坏。
为了防止这些破坏的发生,最经济有效的办法是增加基础埋深,对于轻钢结构基础,还需预埋锚栓(也称地脚螺栓),用于上部结构和基础的连接,若锚栓离混凝土基础边缘太近,会产生基础劈裂破坏,因此,锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm,若锚栓长度过短,会使锚栓从基础中拔出,导致基础破坏,所以规范也规定了锚栓埋入长度。
柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚和铰接柱脚。在实际工程中,绝对钢接和绝对铰接都是不可能的,确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。钢接和铰接柱脚关键在于锚栓布置,铰接柱脚一般采用两个锚栓,刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的区别在于对侧移的控制,如果结构对侧移控制较严,则采用钢接柱脚,例如有吊车荷载的情况,应将柱脚设计成钢接柱脚,其余情况下,柱脚应设计成铰接。一般情况下,柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的,若不满足要求,则须设置抗剪键。
2、支撑和钢性系杆的设置
支撑体系在门式刚架轻钢结构中具有十分重要的作用,主要体现在以下几个方面：将各个平面钢架连接组成具有空间刚度和稳定性的整体结构；为结构和构件的平面外整体稳定提供侧向支撑点；减小平面外的计算长度；明确、合理、简捷的传递风力、温度应力、地震力及吊车纵向水平刹车力等纵向荷载。
轻型门式刚架结构的标准支撑系统有斜交叉支撑、门架支撑、和柱脚绕弱轴抗弯固结的刚架柱支撑。交叉支撑有柔性支撑和刚性支撑两种,一般情况下采用柔性支撑,有吊车的情况下采用钢性支撑。由于建筑功能和外观的要求,在某些开间内不能设置交叉支撑,这时可以设置门架支撑。柱底脚与基础固接绕弱轴抗弯柱支撑大多用于遮蔽建筑物结构,如汽车停车场结构等。
連接中间各榀钢架的屋面系杆,一般在檐口、跨中设置三道,但考虑到檩条和屋面钢板组成的外蒙皮所具有的蒙皮效应,这些系杆通常可以被省去而直接利用檩条及屋面板替代。
3、梁、柱拼接节点设计
梁、柱拼接节点一般按钢接节点计算，但往往由于端部封板较簿而导致与计算有较大出入，故应严格控制封板厚，以保证端板有足够刚度。有的设计斜梁与柱按刚接计算而实际工程则把钢柱省去，把斜梁支承在钢筋混凝土柱或砖柱上，造成工程事故，设计时应注意把节点构造表达清楚，节点构造一定要与计算相符。多跨门式钢架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱和斜梁焊死致使计算简图与实际构造不符，造成工程事故。有的工程在门式刚架斜梁拼接时，把翼缘和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工隐患，设计拼接接头时翼缘接头和腹板接头一定要错开。门式钢架斜梁和钢柱的翼缘板或腹板可以变厚度，但有的单位翼缘板由20mm突然变成8mm，相邻板突变对受力很不利，设计时应逐步变薄，一般以2mm至4mm板厚的级差变化为宜。
4、荷载与内力计算
荷载，恒载：由主材、压型彩板、保温材料及轻质吊顶灯等构件自重确定；活载：包括屋面均布活载、检修集中荷载、积灰荷载和雪荷载等。门规中规定屋面均布活荷载不应小于0.5kN/m2,不过对于受荷水平投影面积大于60m²的刚架构件，屋面均布活荷载不应小于0.3kN/m2。在考虑荷载组合作用时，均布活荷载与雪荷载不同时考虑，取其中较大值计算；积灰荷载与雪荷载和均布活载中的较大值必须同时考虑；检修荷载只与结构自重荷载同时考虑；风载：现行的门规是以建筑结构荷载规范（GB50009-2001）为基础进行风荷载取值。根据门式刚架不同的部位，体型系数选择应按照门规里的表A.0.2-（1～4）取用；计算温差原则上应取安装时温度和安装后结构可能遇到的最冷温度和最热温度之差。如安装设计时间无法确定，一般室内采暖和非采暖钢结构温差可取25～30°，室外露天钢结构温度可取40～50°；吊车：按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定取用，有多台吊车共同作用时，吊车的组合一般不超过两台；计算吊车梁的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台确定，吊车轮压按标准值计算；地震作用：按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）的规定取用，不与风荷载作用同时考虑。
变截面门式钢架应采用弹性分析方法确定各种工况下的内力，仅构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017)的规定进行设计。但后一种情况在实际工程中已很少采用。进行内力分析时，通常取单榀钢架按平面结构分析内力，一般不考虑应力蒙皮效应，而把它当作安全储备。计算内力时可采用有限元法(直接刚度法)。计算时宜将变截面钢架梁、柱构件划分为若千段，每段可视为等截面，也可采用楔形单元。当需要手算校核时，可采用一般结构力学的方法(如力法，位移法，弯矩分配法等)或利用静力计算的公式、图表进行。刚架的最不利内力组合应按梁、柱控制截面分别进行，一般可选柱底、柱顶，柱牛腿以及梁端，梁跨中截面等处进行组合并进行截面验算。
结束语
轻型门式钢架结构具有很好的发展潜力和空间，并以其自身诸多优点在工程设计中越来越广泛的被应用。二十一世纪将是我国钢结构快速发展时期。门式钢架轻型房屋钢结构在我国应用广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍很多。作为工程设计人员有责任和义务使结构设计做到经济合理，安全可靠，这样才能使我国的建筑工程取得更好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]邱孝朗.轻型钢结构门式钢架厂房结构设计探讨[J].中国高新技术企业，2011，(19)：32-33.DOI：10.3969/j.issn.1009-2374.2011.19.013.
[2]赵晓阳，苗春.门式刚架轻型钢结构设计[J].中国建筑金属结构，2013，(10)：41-41,48.
[3]杨文武.门式钢架轻型钢结构几种特殊情形的结构设计探讨[J].福建建设科技，2013，(2)：22-26,6.