门式钢架结构设计要点

1.1门刚结构体系基本情况门式刚架轻型钢结构主要指承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、可以设置起重量不大于20t的中、轻级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层厂房钢结构。在轻型门式刚架结构体系中，屋盖应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板和冷弯薄壁型钢墙梁，也可以采用砌体外墙或底部为砌体、上部为轻质材料的外墙。主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘的出平面稳定性，由与檩条或墙梁相连接的隅撑来保证。主刚架间的交叉支撑可采用角钢或张紧的圆钢。单层门式刚架轻型房屋可采用隔热卷材做屋盖隔热和保温层，也可以采用带隔热层的板材作屋面。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其中较大值。门式刚架尺寸应符合下列规定：(1)、门式刚架的跨度，应取横向刚架柱轴线间的距离。(2)、门式刚架的高度，应取地坪至柱轴线与斜梁轴线交点的高度。门式刚架的高度，应根据使用要求的室内净高确定，设有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净高要求而定。(3)、柱的轴线可取通过柱下端（较小端）中心的竖向轴线。工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮。斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。(4)、门式刚架轻型房屋的建筑尺寸：其檐口高度，应取地坪至房屋外侧檩条下缘的高度；其最大高度，应取地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度；其宽度，应取房屋侧墙墙梁外皮之间的距离；其长度，应取两端山墙墙梁外皮之间的距离。(5)、门式刚架的跨度，宜为9~36m，以3m为模数。边柱的宽度不相等时，其外侧要对齐。厂房结构设计系统手册5(6)、门式刚架的高度，宜为4.5~9.0m，必要时可适当加大。当有桥式吊车时不宜大于12m。(7)、门式刚架的间距，即柱网轴线在纵向的距离宜为6m，也可采用7.5m或9m，最大可用12m。跨度较小时可用4.5m。(8)、挑檐长度可根据使用要求确定，宜采用0.5~1.2m，其上翼缘坡度宜与斜梁坡度相同。门式刚架的形式分为单跨双坡、双跨单坡、多跨双坡以及带挑檐和带毗屋的刚架等。多跨刚架中间柱与刚架斜梁的连接，可采用铰接。多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖，必要时也可采用由多个双坡单跨相连的多跨刚架形式。单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨则大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。1.2设计要点(1)由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结构的整体刚度较弱，因此设计时应考虑运输和安装过程中要采取的必要措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。(2)要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。(3)组成构件的杆件较薄，设计中应考虑对制作、安装、运输的要求。(4)设计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。(5)门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。(6)设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理，比如风力可使轻型屋面的荷载反向等。支撑结构设计要点屋面支撑1）门式钢架的屋面支撑应和系杆、斜梁构成几何不变的桁架体系。2）在房屋的每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置独立的空间稳定结构的支撑体系。厂房结构设计系统手册63）柱距越大，吊车起重量越大且工作级别越高，支撑的刚度应越大。4）地震区的支撑应适当增加，并加强节点构造。5）屋面支撑一般采用交叉支撑形式，仅按轴心拉杆设计，不考虑压杆的工作。非地震区，考虑用圆钢截面作为支撑。此时由于圆钢末端设有特殊的张紧装置，可以不控制其长细比。地震区或风荷载较大时，一般用型钢接截面作为支撑，支撑一般按长细比控制，当荷载较大时，还应根据内力情况，验算材料强度。6）系杆一般按压杆设计，常用截面为圆管截面。柱间支撑1）厂房的每一开间每一柱列，都应设置柱间支撑，且边柱与中柱柱列应在同一开间内。2）有吊车时，柱间支撑应在牛腿上下分别设置上柱支撑和下柱支撑。3）当抗震设防烈度为8度或者有桥式吊车时，厂房单元两端开间宜设置上柱支撑。4）厂房各柱列的柱顶及屋脊的位置应设置通长的水平系杆。5）柱间支撑的形式主要有十字形，人字形和门形等。十字形支撑传力直接，构造简单，用料节省，刚度较大，是应用较多的一种形式；人字形和门形主要用于柱距较大或由于建筑功能限制不能使用十字支撑的情况。6）十字形支撑的设计，一般仅按受拉杆件进行设计，不考虑压杆的工作。在布置时，其倾角一般按35度~55度考虑。7）柱截面高度小于800mm时，一般多是沿着柱子中心线设置单片支撑。其截面形式多为单角钢组组成的T形或两槽钢组成的工字钢截面。有吊车时，一般用双片支撑。8）柱间支撑的截面大小可由计算确定，并验算其长细比，对荷载不大的情况，一般由长细比控制。9）山墙风荷载由独立温度区段的所有柱间支撑承担，计算时，可按柱列求得，然后再平均分配到每道柱间支撑，分层时，可分别求出。10）吊车的纵向制动力由下柱柱间支撑承担。可按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第6.1.2条第一款11）纵向地震作用计算可按柱列法进行，计算按两个质点考虑。12）纵向地震作用不与山墙风荷载和吊车的纵向制动力同时组合。1.3结构形式和结构布置1.3.1结构形式厂房结构设计系统手册7门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。1.3.2结构布置1.3.2.1刚架的建筑尺寸和布置。门式刚架的跨度宜为9~36m，当柱宽度不等时，其外侧应对齐。高度应根据使用要求的室内净高确定，宜取4.5~9m。纵向温度区段小于300m，横向温度区段小于150m（当有计算依据时，温度区段可适当放大）。1.3.2.2檩条和墙梁的布置檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的要求确定。1.3.2.3支撑和刚性系杆的布置(1)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。(2)在设置柱间支撑的开间，应同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。(3)端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定，一般取30~45m，有吊车时不宜大于60m。(4)当房屋高度较大时，柱间支撑应分层设置；当房屋宽度大于60m时，内柱列宜适当设置支撑。(5)当端部支撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。(6)在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。(7)由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。(8)刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足压弯构件的承载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面形式的杆件。(9)当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢；当房屋中不允许设置柱间支撑时，应设置纵向刚架。1.4荷载及荷载组合1.4.1永久荷载永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。1.4.2可变荷载厂房结构设计系统手册8可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修集中荷载，其标准值为1kN）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。1.4.3荷载组合荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的规定，针对门式刚架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002（2012）给出下列组合原则：(1)屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值。(2)积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。(3)施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。(4)多台吊车的组合应符合《建筑结构荷载设计规范》的规定。(5)当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。1.5控制指标1.5.1构件控制指标门式钢架构件验算最显著的特点是考虑腹板屈曲后强度，这样能充分发挥材料的性能。强度应力比：大于上限为不足，小于下限为过大。稳定应力比：大于上限为不足，小于下限为过大。抗剪应力比：大于上限为不足，小于下限为过大。局部稳定:需要满足翼缘外伸15235/f，腹板在满足250235/f的前提下取有效截面。受压杆件长细比：大于180为不满足1.5.2整体控制指标结构柱顶水平位移：按轻钢规程表格3.4.2-1规定的限值，无吊车大于1/60为不足；有不带操作室吊车的厂房大于1/180为不足；有带操作室吊车的厂房大于1/400为不足。受弯构件的挠度与其跨度的比值：不应大于轻钢规程表格3.4.2-2规定的限值。由于柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值，不应大于坡度设计值的1/3。