浅谈门式刚架轻型房屋钢结构设计
[摘要]门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。在门式刚架轻型房屋钢结构设计中,仍然存在着一些概念性和实际性的问题需要设计人员予以重视,以确保设计质量的提高.本文针对门式刚架轻型房屋钢结构的特点,探讨了结构计算及设计、构造措施方面一些需要注意的问题.
[关键词]主结构,支撑结构,腹板失稳,腹板屈曲后强度,腹板高厚比
门式刚架轻型房屋的组成及技术特点
1.1基本组成
门式刚架轻型房屋可分为四大部分：
主结构：刚架，吊车梁
次结构：檩条，墙架柱，抗风柱，墙梁
支撑结构：屋盖支撑，柱间支撑，系杆
维护结构：屋面（屋面板，采光板，通风器等），墙面（墙板，门，窗）
1.2适用范围
门式刚架轻型房屋自重轻，用钢省，造价低；抗震性能好，在抗震设防烈度为7度及以下地区不考虑抗震设计；可跨越较大跨度；制作简单，施工周期短且不需要大型施工机具；形式美观有现代感，能充分满足使用要求。广泛应用于具有轻型屋盖和轻型外墙；刚架跨度不大于36米，檐口高度不大于15米；无吊车或起重量不大于20吨的A1~A5工作级别吊车的单层房屋钢结构。
1.3技术特点
1.3.1允许刚架构件腹板失稳，利用腹板屈曲后强度，按有效宽度理论和拉力场理论进行受弯和受剪计算，腹板高厚比可以做的比较大，使腹板厚度显著减薄。
1.3.2采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量既轻也使支撑它的结构也轻，同时，由于屋面与檐檩，脊檩和墙面牢固连接，檩条又与刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板，从而提高刚架结构的整体刚度，有效减少结构的实际位移，因此使檩条和墙梁及其隅撑可视为刚架构件受压翼缘的侧向支撑点。
1.3.3刚架采用变截面，基本上按弯矩图形的变化及施工方便来改变腹板高度和厚度以及翼缘尺寸，充分做到材尽其用。加之采用轻质屋面，刚架构件以及檩条可以做的很轻，因而具有很好的经济性。
1.3.4刚架的侧向刚度用隅撑来保证，由于隅撑用料很少，其间距可以做的比较小，因而刚架构件的翼缘宽度可以做的比较小，而腹板高厚比克加大，从而进一步节省材料。
1.3.5由于刚架构件轻，可采用平板柱脚以及考虑这种平板柱脚对刚架柱的嵌固作用，支撑也可以做的很轻便。
1.3.6构件单元之间用端板连接，延性好；加之自重轻以及屋面蒙皮效应，对抗震有利。
结构形式和布置
1.结构形式
在门式刚架轻型房屋钢结构体系中，屋盖宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条，主刚架可采用变截面实腹刚架，外墙宜采用压型钢板墙面和冷弯薄壁型钢墙梁。住刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘出平面的稳定性，由与檩条和墙梁相连接的隅撑来保证。主刚架间的交叉支撑可采用张紧的圆钢。
2.1.2根据跨度，高度和荷载不同，门式刚架的梁，柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字形单轴对称或双轴对称截面或轧制H形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形。结构构件在一个安装单元内一般不改变翼缘截面，当必要时，可改变翼缘厚度；邻接的运输单元可采用不同的翼缘截面，两单元相邻截面高度宜相等。
2.1.3门式刚架的柱脚多铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚锚栓。当用于工业厂房且有5吨以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。对于有桥式吊车的房屋，中柱不宜采用摇摆柱。
2.1.4门式刚架轻型房屋屋面坡度宜取1/8~1/20，在雨水较多的地区宜取较大值。
2.结构平面布置
2．2.1门式刚架轻型房屋结构的温度区段长度：纵向温度区段不大于300米；横向温度区段不大于150米。
当需要设置横向伸缩缝时，可用两种做法：一种简单但比较昂贵的处理办法是在伸缩缝处采用双刚架，刚架的间距以保证柱脚底板不相碰为依据。以双刚架为界，结构两边各自具有独立的檩条、支撑和维护板系统，其中屋面板和墙面板使用可伸缩的连接件相连。在纵向伸缩缝处需要设置防火墙的情况下，这种处理方法是必须的。
另一种方法较为经济，具体办法是：在伸缩缝处只设置一榀刚架，而在伸缩缝处的檩条上，设置椭圆长孔来吸收该点的热位移。
2.2.2单层门式刚架的跨度，一般情况下以跨度为21~30米时比较经济。
2.2.3刚架的合理间距
刚架的用钢量一般来说随其间距额度增大而减小，但吊车梁，檩条，墙梁的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无桥式吊车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6~9米为宜；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以3.5~5为宜。对于有10吨以上吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以6米为宜。
主刚架构造
3.1焊接工字形截面尺寸模数：
截面高度以10mm为模数；截面宽度以5mm为模数；腹板厚度可取4，5，6，8mm等，6mm以后以2mm为模数。
3.2工字形截面的高宽比（h/b）：
通常取h/b为2~5，承受桥式吊车荷载的柱子取小值。梁端与柱的连接为侧接时，该处梁端可取不大于6.5。
3.3工字形截面腹板高厚比建议取值如下：
刚架柱：无桥式吊车时，取；有桥式吊车时，取；
刚架斜梁：取；
支撑的作用和布置
一屋盖横向水平支撑的作用
1.与柱间支撑一道保证水平刚架的整体稳定，保证结构的空间整体性。
2．将山墙面抗风柱顶上的纵向风荷载传递到有柱间支撑的柱列上。
3．与屋盖维护系统所具有的蒙皮效应一道形成对屋盖梁构件平面外的支撑作用，避免屋盖梁侧向弯扭失稳。
4.便于屋盖梁安装稳定性和屋盖梁定位。
二柱间支撑的作用
保证刚架的整体稳定和纵向刚度。
承受山墙传来的纵向风荷载，吊车的纵向水平荷载以及其他的纵向水平力。
作为柱子的侧向支撑，决定柱子平面外的计算长度。
便于刚架安装稳定性和刚架定位调整。
三支撑体系的布置
在每个温度区段或分区建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
柱间支撑宜于屋盖横向水平支撑布置在同一开间，以组成几何不变体系。如不能布置在同一开间，则应加设刚性系杆传力。各道支撑的间距，当无吊车时宜取30~45米。有吊车时，可在适当加大支撑间距的同时提高支撑的刚度，一般宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时设在三分点处，且间距不宜大于60米。
当建筑宽度大于60米时，在内柱列宜适当增加柱间支撑，当不能设置交叉支撑时，可设置纵向刚架或刚架式门式支撑。
当有驾驶室的吊车吨位大于15吨时，应在屋盖边缘设置纵向水平支撑。
当无吊车且檐口高度不大于9米时，宜仅设单层柱间支撑；当檐口高度大于9米时，可根据支撑的夹角设置双层柱间支撑。交叉支撑与水平夹角以45度为佳，不宜大于55度。有吊车时，应以吊车梁兼做纵向系杆设置上下两层柱间支撑，端开间可不设置下层支撑以减少吊车梁的温度应力。
所有横向支撑纵向支撑均应与屋盖梁天窗架等构件及纵向杆系组成几何不变的桁架形式。
5.结束语
限于篇幅，门式刚架轻型房屋钢构的次结构及维护结构的设计，不再一一叙述。
门式刚架轻型房屋钢构应用广泛，在设计时，对结构布置，结构计算及构造措施方面的问题加以重视，认真对待，一定可以做出令人满意的作品。.
【参考文献】
【1】《结构设计规范》（GB50017-2003）
【2】《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）
【3】《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）
【4】《轻型房屋钢结构应用技术手册》魏潮文弓晓芸陈友泉编著