钢结构门式刚架轻型房屋的设计.pdf

～ 【 文章编号】1 0 0 7 - 9 4 6 72 0 0 70 2 - 0 0 1 9 - 0 4 钢结构门式刚架轻型房屋的设计 ■周敬东, 蔡光华上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司, 南京2 1 0 0 3 9 【 摘要】 为了进一步推广门式刚架结构, 从结构形式及适用 范围、 荷载及荷载组合、 计算假定、 构件设计几方面进行了 阐述。 【 关键词】 钢结构; 门式刚架; 轻型房屋; 稳定体系 【 中图分类号】T U 3 2 8【 文献标志码】A S t e e l S t r u c t u r e G a t e T y p eR i g i d F r a m e L i g h t H o u s eD e s i g n Z H O UJ i n g - d o n g ， C A I G u a n g - h u a （ S h a n g h a i Me i s h a n I n d u s t r y C i v i l E n g i n e e r i n g D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e . C o . , L t d . N a n j i n g 2 1 0 0 3 9 ） 【 A b s t r a c t】 I no r d e rt of u r t h e rp r o m o t et h eg a t et y p er i g i d s t r u c t u r e , f r o mt h e s t r u c t u r a l s t y l e a n dt h e a p p l i c a b l e s c o p e , t h e l o a da n dt h e l o a dc o m b i n a t i o n , t h e c o m p u t a t i o nh y p o t h e s i s , t h e c o m p o n e n t d e s i g n e d s e v e r a l a s p e c t s t o c a r r y o n t h e e l a b o r a t i o n . 【 K e yw o r d s 】 s t e e l s t r u c t u r e ； g a t e t y p e r i g i df r a m e ； l i g h t h o u s e ； s t e a d y s y s t e m 钢结构门式刚架轻型房屋以用钢量低、重量 轻、 抗震性能好、 柱网布置灵活、 工业化程度高、 造 价低、 施工周期短、 适用范围广等优点， 在我国的应 用得到迅速的发展。门式刚架主要用于轻型的厂 房、 仓库、 超级市场、 车站、 码头、 展览厅、 活动房屋、 加层建筑等。 1结构形式及适用范围 门式刚架结构根据跨数分为单跨、 双垮、 多跨； 根据坡数分为单坡、 双坡； 根据有无吊车分为无吊 车、 有吊车； 另外还有带挑檐、 带毗屋的形式。斜梁 坡度宜取 1 / 8 1 / 2 0 ， 常用坡度为 1 / 1 5 。常用跨度为 1 2 m 3 6 m 。 常用柱距为6 m 9 m 。 门式刚架的平均高度 常采用4 .5 m 9 .0 m ， 当有桥式吊车时不宜大于 1 2 m 。 门式刚架轻型房屋适用于抗震设防烈度≤8 度 地区的单层单 多 跨轻型房屋[ 1 ]。有吊车结构房屋 又分为桥式吊车、 梁式吊车、 悬挂吊车三种。桥式 梁式 吊车起重量适用于（ 5 2 0 ） / 5 t ， A 1 A 5 轻级[ 2 ]。 悬挂吊车适用于 1 t 3 t 电动单梁悬挂吊车或 1 t 3 t 电动葫芦[ 3 ]。 超跨度、 超高、 多层的实腹式门式刚架， 因刚架柱梁截面加大， 用钢量更大， 支撑布置和节 点连接要求更高， 风荷载计算更复杂， 失去门式刚 架的优势， 建议少用。 2荷载及荷载组合 基本风压、 风荷载体形系数和屋面竖向均布活 荷载的取值与 建筑结构荷载规范 不同。 因轻型房 屋钢结构风荷载计算资料不完备， 基本风压取 建 筑结构荷载规范 规定值的 1 . 0 5 倍， 风荷载体形系 数应根据建筑类型、 体型、 分区和有效受风面积确 定[ 4 ]。 当采用压型钢板轻型屋面时， 屋面竖向均布活 荷载的标准值 按水平投影面积计算应取 0 . 5 k N / m 2 ， 对受荷水平投影面积大于 6 0 m 2的刚架构 件 这里指刚架柱和梁， 而不是屋面板和檩条 ， 屋面 竖向均布活荷载的标准值可取不小于 0 . 3 k N / m 2 。 荷载组合。门式刚架轻型房屋高度一般小于 1 8 m且屋面坡度较小， 屋盖上风荷载的作用方向与 其他竖向活荷载的作用方向相反。 当房屋所受的活 A r c h i t e c t u r a l a n d s t r u c t u r a l D e s i g n 建筑与结构设计 1 9 荷载以风荷载为主时， 在刚架截面荷载效应的最不 利组合中， 不应考虑与风荷载效应符号相反的其他 活荷载效应； 当房屋所受的活荷载以其它荷载为主 时， 与其他活荷载效应符号相反的风荷载效应不应 进入截面荷载效应的最不利组合。 檩条计算时的荷载组合有两种第一种 1 . 2 永 久荷载 1 . 4 屋面可变荷载， 假定屋面能阻止檩条侧 向失稳， 按强度计算确定其截面， 此时屋面板荷载 取值大不利；第二种 1 . 0 永久荷载 1 . 4 风吸力组 合， 根据稳定确定檩条在给定永久荷载下所能承受 的风荷载标准值， 此时屋面板荷载取值小不利。 檩条选用时应同时满足两种荷载组合工况， 如 在檩条下翼缘附近腹板上增设拉条时，可仅满足荷载 组合Ⅰ。 按照风压力和吸力两种情况， 合理选用最 不利荷载组合，对防止檩条和墙梁的失稳很重 要。风荷载不与地震作用同时考虑，其余应符 合 建筑结构荷载设计规范 、 建筑抗震设计规范 的规定。 3计算假定 受拉强度按净截面计算， 受压强度按有效净截 面计算， 变形按毛截面计算。多跨刚架中间柱与斜 梁的连接多按铰接假定计算。门式刚架柱脚采用铰 接还是刚接应根据房屋高度、 风荷载大小、 土质情 况、 有无吊车及吊车吨位等综合考虑。柱脚多按铰 接支承假定计算， 通常为平板支座， 设一对或两对 地脚螺栓。当用于工业厂房且有 5 t 以上桥式吊车 时，宜将门式刚架柱脚平面内按刚接假定计算， 平 面外按铰接假定计算。变截面门式刚架应采用弹性 分析方法确定内力， 按平面结构分析内力， 可采用 有限元法 直接刚度法 计算。当构件截面全部为等 截面时， 才采用塑性分析方法确定内力。当抗震设 防烈度≤7 度时， 一般不需要进行抗震验算。 但 8 度 时， 无论有无吊车, 均应进行抗震验算， 抗震计算可 采用底部剪力法。 4构件设计 4 . 1门式刚架设计 根据跨度、 有无吊车、 吊车形式、 吊车吨位等情 况， 且为了便于制作， 刚架柱可采用等截面柱、 变截 面柱、 单阶形柱； 刚架梁可采用等截面梁、 变截面梁 等形式。 对于跨度大于 3 0 m的斜梁宜起拱。 采用变 截面， 再适当减少腹板厚度， 突破现行钢结构规范 对工字梁受压翼缘宽厚比、 柱腹板高厚比和构件长 细比的限值， 是减少用钢量的有效途径。 刚架由刚架柱和刚架斜梁两部分组成。 1 梁、 柱受压翼缘最大宽厚比和腹板高厚比应 符合规范要求， 工字形截面的翼缘不利用屈曲后强 度， 当楔形腹板高度变化不超过 6 0 m m / m时， 工字 形截面的腹板可利用屈曲后抗剪承载力 拉力场 ， 当腹板受弯及受压板幅利用屈曲后强度时， 应按有 效宽度计算截面特性， 腹板高度取平均高度。 2 刚架强度计算， 按压弯构件计算， 斜梁也可近 似按受弯构件计算。 3 刚架柱平面内稳定计算。根据柱脚铰接或刚 接， 是否有摇摆柱， 是否有侧移确定计算长度。合理 确定柱内力设计值， 对于变截面柱， 轴力以小头为 准， 弯矩以大头为准， 稳定计算时均以小头的有效 截面为准。 4 刚架柱平面外稳定计算。 分两段计算， 一端弯 矩为零的区段和两端弯曲应力基本相等的区段， 平 面外计算长度取支撑点之间的距离， 当不满足要求 时应增加侧向支撑点隅撑， 以减小平面外计算 长度， 满足平面外稳定要求。 5 柱下端铰接时受剪承载力验算， 如不满足应 加强腹板。 6 刚架斜梁计算。斜梁坡度一般较小， 轴力对 稳定性的影响较小，故平面内按压弯构件计算强 度， 平面外按压弯构件计算稳定性。斜梁平面内的 计算长度可近似取竖向支承点间的距离； 斜梁平面 外的计算长度应取侧向支承点间的距离， 当不满足 要求时应增加侧向支撑点隅撑。 柱脚锚栓不承担剪力， 只考虑柱脚底板与混凝 土基础面间的摩擦力抗剪，因此多数柱脚抗剪不 足， 须设置抗剪键。抗剪键采用在刚架平面方向截 面刚度较大的工字钢 H型钢 等， 垂直焊接于柱底 板的底面，抗剪键不应与基础表面的定位钢板焊 建筑与结构设计 A r c h i t e c t u r a l a n d s t r u c t u r a l D e s i g n 2 0 接。柱脚锚栓按下柱柱间支撑开间内纵向风力和吊 车刹车力或纵向地震作用的上拔力验算， 应计入柱 间支撑产生的最大竖向分力， 且不考虑活荷载 或 雪荷载 、 积灰荷载和附加荷载的影响， 恒荷载分项 系数应取 1 . 0 ， 应采用螺纹处的有效截面面积。柱脚 锚栓均需采用双螺母或焊牢， 防止在较大风吸力作 用下柱脚锚栓被拔起而导致房屋倒塌。 4 . 2抗风柱设计 山墙结构体系有刚架体系和构架体系。 工程中 常用由抗风柱等组成的刚架体系。抗风柱两端铰 接， 不传递刚架梁上端竖向荷载， 主要承受风荷载 或墙板自重， 按受弯构件设计， 注意底部抗剪验算。 抗风柱与刚架的连接宜位于横向支撑节点附近， 如 果抗风柱不在横向支撑节点附近， 应在支撑节点处 增设斜撑或在支撑节点间增设分配梁。抗风柱上端 均用弹簧板与斜梁的上翼缘或腹板连接， 不能连接 于斜梁的下翼缘板， 防止斜梁失稳。 4 . 3屋面板和墙板设计 屋面板和墙板材料可选用建筑外用彩色镀锌 或镀铝锌压型钢板、 夹心压型复合板和玻璃纤维增 强水泥板（ G R C板） 等轻质材料。屋面板对檩条、 墙 板对墙梁的受力都很重要， 选型连接不当， 将影响 刚架的整体稳定性， 危及结构的安全。如果门式刚 架设计时考虑蒙皮效应，不能机械理解轻型屋面， 如采用石棉瓦， 在工程上就可能出问题， 因为蒙皮 效应是靠檩条、 隅撑和屋面板共同来完成的， 要从 规范的编制背景及结构整体考虑。屋面板和墙板应 用自攻螺钉与檩条或墙梁连接。 4 . 4檩条设计 檩条有实腹式、 空腹式、 格构式三种。 实腹式有 卷边槽形、 斜卷边 Z形、 直卷边 Z形冷弯薄壁型钢。 格构式有平面桁架式、 空间桁架式、 下撑式。檩条一 般设计为单跨简支构件， 实腹式檩条也可设计成连 续构件。当屋面能阻止檩条侧向位移和扭转时仅需 计算檩条在风荷载效应参与组合时的强度， 不需验 算整体稳定性； 当屋面不能阻止檩条侧向位移和扭 转时不仅需计算檩条在风荷载效应参与组合时的 强度， 还需验算整体稳定性； 檩条计算时不考虑拉 条侧向支承点的作用。 拉条有三种形式 单层平行拉条 常用 、 双层 拉条、 单层斜向拉条。 当檩条跨度 4 m 6 m时， 在檩条跨度三分点处各设置一道拉条或撑杆。斜拉 条应与刚性檩条连接。在风压力作用下拉条布置在 距檩条上翼缘 1 / 3 高度的范围内；当风吸力作用下 檩条下翼缘受压时， 布置在下翼缘附近； 当采用扣 合式屋面板时， 拉条位置应根据稳定计算确定。双 层檩条不仅施工麻烦， 而且与习惯做法不符， 应尽 量少用。檩条之间用拉条从第一根檩条的下翼缘斜 向拉向第二根檩条的上翼缘， 再从第二根檩条的下 翼缘斜向拉向第三根檩条的上翼缘，以此类推， 这 种方法较好， 值得推广。 4 . 5墙梁设计 墙梁宜采用卷边槽形、 斜卷边 Z形冷弯薄壁型 钢。可设计成简支或连续构件； 墙梁需承受墙板重 及自重时， 应考虑双向弯曲； 墙板落地且墙梁与墙 板间有可靠连接时， 可不考虑自重引起的弯矩和剪 力， 即按单向弯曲考虑。当有条形窗或房屋较高且 墙梁跨度较大时， 应计算确定墙架柱的数量。墙梁 在承受朝向墙面板的风压时，应计算墙梁的强度； 墙梁在风吸力作用下， 应计算墙梁的稳定性； 墙梁 拉条型号设置位置及道数与屋面檩条间的拉条基 本相同。当墙面的竖向荷载有可靠途径直接传至地 面或托梁时 墙面为自承重墙时 ， 拉条应设在墙梁 内翼缘附近， 也可不设拉条。不能任意取消墙梁， 这 对结构整体性和构件平面外稳定性没有保证， 同时 门窗洞口上下的墙梁应加强。 4 . 6支撑设计 支撑有屋盖横向水平支撑、 纵向水平支撑和纵 向刚架柱间支撑、 山墙柱间支撑， 与门刚其它构件 共同形成空间结构稳定体系。当房屋高度相对于柱 间距较大时， 柱间支撑宜分层设置。如果设计成双 向刚接框架， 且在水平力作用下柱顶位移满足规范 要求， 可不设柱间支撑， 但这样不经济。支撑体系是 提高整个门式刚架房屋整体刚度和保证稳定的主 要措施， 承担和传递水平力， 防止杆件产生过大的 A r c h i t e c t u r a l a n d s t r u c t u r a l D e s i g n 建筑与结构设计 2 1 振动， 避免压杆的侧向稳定， 保证结构安装时的稳 定。交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计， 非交叉支 撑中的受压杆件和刚性系杆应按压杆设计。无吊车 时， 支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢（ 非抗 震） 或角钢（ 抗震） 。圆钢应按螺纹处的有效截面面 积计算， 圆钢支撑宜采用花兰螺丝张紧， 否则对抗 风和抗震都不利。 有吊车时， 设角钢支撑。 当设有起 重量不小于 5 t 的桥式吊车时， 上柱间支撑宜采用单 片角钢支撑， 连接于上柱腹板中心； 下柱间支撑宜 采用双片角钢支撑， 连接于下柱两侧翼缘里侧。支 撑与构件间的夹角应在 3 0 6 0 普通钢结构 3 5 5 5 范围内。 在温度区段端部吊车梁以下不宜设置 柱间刚性支撑。 刚架斜梁上横向水平支撑， 主要承受纵向风荷 载， 按简支于柱顶的水平荷载计算， 宜设在温度区 间端部的第一个或第二个开间。当端部支撑设在第 二个开间时， 在第一个开间的相应位置应设置刚性 系杆。 刚架柱间支撑， 主要承受纵向风荷载、 吊车纵 向制动力、 地震力， 按支承于柱脚基础上的竖向悬 臂桁架计算。当同一柱列设有多道柱间支撑时， 纵 向力在支撑间按均匀分布分配。当无吊车时柱间支 撑间距宜取 3 0 m 4 5 m， 当有吊车时宜设在温度区段 中部设柱间支撑； 当温度区段长度≥9 0 m时宜设在 三分点处设柱间支撑， 且间距不宜 6 0 m 。 当房屋宽 度 6 0 m时， 在内柱列宜适当增加柱间支撑； 在设有 带驾驶室且起重量大于 1 5 t 桥式吊车的跨间，应在 屋盖边缘设置纵向支撑桁架。在每个温度区段或分 期建设的区段中， 应分别设置能独立构成空间稳定 结构的支撑体系。柱间支撑应与屋盖横向支撑同一 开间布置， 如错开间布置， 这对抗震和房屋整体刚 性都不利， 无法形成独立的空间支撑体系。 4 . 7隅撑设计 隅撑有屋面斜梁隅撑和墙架柱隅撑两种， 按轴 心受压构件设计， 一般应成对布置， 防止屋面斜梁 和墙架柱的平面外失稳。在檐口位置， 刚架斜梁与 柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处， 应各设置一 道隅撑。斜梁隅撑间距若不作计算时不得大于斜梁 下翼缘宽度的 1 6 倍， 若斜梁翼缘宽度为 2 0 0 m m ， 至 少每隔一根檩条要设置一根隅撑。采用双层屋面时 也应设置隅撑， 防止门式刚架由于受压翼缘屈曲引 起的破坏。隅撑一般采用单角钢制作， 连接在刚架 构件下 内 翼缘附近的腹板上距翼缘不大于 1 0 0 m m处， 每端采用单螺栓连接， 与刚架腹板的夹 角不宜小于 4 5 。 由于斜梁和柱子是工字形截面的， 且平面外刚度较小， 稳定性是由隅撑保证的， 隅撑 未设置或设置不当将直接影响结构的稳定。 4 . 8系杆设计 系杆有刚性系杆和柔性系杆两种。系杆能提高 结构安装、 使用阶段的稳定性。刚性系杆一般用钢 管、 角钢、 H型钢制作。布置在在刚架转折处 单跨 房屋边柱柱顶和屋脊， 以及多跨房屋某些中间柱柱 顶和屋脊, 应沿房屋全长设置 、 屋面横向水平支撑 交叉点处和吊车梁牛腿顶标高处。当檩条满足压弯 杆件的刚度和承载力要求时，也可兼作刚性系杆， 此时应注意檩条与斜梁的连接，保证轴力有效传 递。柔性系杆一般用钢管、 角钢制作， 布置在带吊车 门架但没有屋面横向水平支撑的刚架斜梁间， 并与 相邻屋面横向水平支撑交叉点处的刚性系杆对应。 5结语 只有合理选用刚架结构形式、 正确确定荷载组 合和计算假定、 合理布置刚架构件形成空间稳定体 系， 才能设计好门式刚架轻型房屋。 【 参考文献】 【 1 】 0 2 S G 5 1 8 - 1 门式刚架轻型房屋钢结构 无吊车 [ S ] . 【 2 】 0 4 S G 5 1 8 - 3 门式刚架轻型房屋钢结构 有桥式、 梁式吊 车 [ S ] . 【 3 】 0 4 S G 5 1 8 - 2 门式刚架轻型房屋钢结构 有悬挂吊车 [ S ] . 【 4 】 C E C S 1 0 2 2 0 0 2 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[ S ] . 【 收稿日期】2 0 0 6 - 1 0 - 2 4 周敬东（ 1 9 6 3 ～） ， 男， 江苏南通人， 高级工程师、 一级 注册结构工程师， 从事工业与民用建筑结构设计工作， （ 电子信箱） z j d 4 4 1 8 1 3 9 s o h u . c o m 。 作者简介 建筑与结构设计 A r c h i t e c t u r a l a n d s t r u c t u r a l D e s i g n 2 2