轻钢门式刚架设计论文

轻钢门式刚架设计论文摘要：本文重点探讨轻钢门式刚架结构的设计要点，在合理跨度的确定、刚架最优柱距的确定、结构抗震设计及支撑体系优选等4个方面提出了有针对性建议，以期抛砖引玉，希望更多的工程人员关注这种结构形式。相信随着我国工业化进程的发展，轻钢门式刚架结构凭借其优良的综合性能将得到广泛使用。前言门式刚架的设计直接关系到结构的安全和经济性，虽然轻钢门式刚架结构已形成了自身的技术体系，建立了相关技术规程和相应的技术理论，但是在轻钢门式刚架设计中还有许多问题需要讨论，本文在对轻钢门式刚架结构进行详细总结分析的基础上，重点选取了轻钢门式刚架结构优化设计时应注意常见的问题进行分析，并给出了优化建议，以期取得更好的设计成果。1轻钢门式刚架结构相关概述1.1轻钢门式刚架结构形式轻钢门式刚架的结构形式多样，主要有以下几种：单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的刚架等（图1）图1门式刚架结构形式1.2轻钢门式刚架结构典型优势轻型门式刚架结构的门式刚架一般由等截面或变截面实腹焊接工字型或轧制H型截面的梁、柱组成，屋盖一般采用冷弯薄壁型钢檩条和压型钢板屋面板作为结构主要的承重构件，外墙多采用冷弯薄壁型钢的墙梁和彩色压型钢板的墙面板。屋面根据工程实际可采用单坡和多坡，形式有单跨和多跨。轻钢门式刚架结构属轻型钢结构的一种类型，其结构体系是以门式刚架及轻型屋盖形成主要承重结构，外加相应的支撑系统及外墙维护系统所组成的结构体系。轻钢结构和其他材料的结构相比，具有如下优点。（1）自重轻。轻钢结构房屋跨度大，钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，净使用面积较其他结构提高很多，钢材截面模数大，具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。轻钢结构与混凝土结构相比，自重约为后者的一半。在工程设计中还可以根据实际情况达到个性化的要求。（2）结构稳定性好，抗震性能突出。轻钢结构稳定性良好，钢梁、钢柱组成柔性框架，可充分发挥钢材强度高、延性好、塑性变形能力强的特点，更容易吸收耗散地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲、震动的能力得以强化。一般而言，其抗震能力是砖混结构的2倍以上，在高烈度的地震灾害后，用于修复的费用减少。而且由于自重轻，对地质条件要求相对较低，提高了结构的安全可靠性。（3）施工速度快。一般情况下，轻钢结构施工由于设计标准化、定型化，构件加工制作工业化，另外加上现场安装施工的过程中基本不受气候影响，简单快捷，时间相对钢混结构住宅缩短工时1／3～1／2，加快了资金周转，大大提高了投资回报速度。（4）隔热保温性能好。轻钢结构有些采用了聚苯乙烯泡沫夹芯板或单板加保温棉等措施，使其保温隔热和隔声效果良好，而且不助燃，不霉变，不虫蛀，能够满足实际工作过程中保温、隔热、隔声性能等方面的需要。（5）环保优势。轻钢结构将成品构配件运至施工现场后，即可拼接安装，废旧利用率为100％，是真正的环保建材。另外，在任何气候条件下，均可全年施工，对于周围环境的污染较小，符合国家提出的“四节、一环保”和可持续发展的要求，具有很好的性价比，有着混凝土结构无法比拟的优越性。（6）环境适应条件好。对海拔高度、气候条件等环境要求不高。2轻钢门式刚架结构设计2.1合理跨度的确定跨度的确定是轻钢门式刚架结构设计中极为重要的一个环节。一般而言，跨度主要受两方面的影响：不同的生产工艺流程和使用功能。门式刚架结构一般根据其使用功能，确定较为经济的跨度。就笔者的实际经验来看，当柱高、荷载一定时，可以适当加大轻钢门式刚架结构的跨度，这样的改进不会明显增加刚架的用钢量，但在空间的节约方面起着至关重要的作用。经验表明：轻钢门式刚架在檐高6m、柱距7.5m、荷载情况完全一致的情况下，当跨度18～48m时，刚架的单位用钢量为18～35kg/m；当保持其他因素不变，檐高增加1倍时，跨度18～48m的刚架用钢量为25～40kg/m，当檐高超过18m时，宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），因此，设计者应根据实际情况选择方案，不宜盲目追求大跨度。2.2刚架最优柱距的确定刚架最优柱距也是影响轻钢门式刚架结构性能的一个关键因素。刚架的柱距受刚架跨数、屋面荷载、檩条形式等因素的影响。柱距增大，刚架承受的荷载面积增大，檩条和支撑跨度增大，拉条布置增多，总用钢量呈非线性变化。研究表明：（1）单跨刚架柱距小于8ｍ或双跨刚架柱距小于7.5ｍ时，总用钢量随柱距的增大而减小；（2）超过8ｍ时，随着柱距的增大，主刚架用钢量减小，但檩条、拉条和支撑的用钢量增大，后者的增加幅度比前者减小的幅度大，造成总用钢量增大。（3）柱距接近7～8ｍ时，用钢量最小。（4）建议柱距不宜超过9ｍ，以免檩条、拉条和支撑的用钢量增加过多，造成综合造价不经济。表1所列即为一般情况下，柱高为6ｍ时，各种跨度对应的刚架最优柱距。表1相同条件下各种跨度对应的刚架最优柱距2.3钢结构抗震设计的要求（1）选择对建筑抗震有利的场地和地基。场地影响结构的地震反应，从而决定了结构的震害。因此，在抗震设计时应选择坚硬的中硬土场地，避开不利的或危险场地。（2）选择合理的结构总体布置。在抗震设计时要求建筑形状规则，结构力求对称，以减小质心与刚心的偏离；强度和刚度应连续变化，抗震结构的刚度、承载力在楼层平面内及结构竖向应连续、均匀；不宜有刚度突然削弱的楼层，以免在地震时出现塑性变形集中的“薄弱层”，从而引起较为严重的破坏。（3）抗震体系应能在结构适当部位有意识地建立一系列有利的屈服区，以使结构吸收和耗散大量地震能量，一旦破坏易于修复。（4）结构除具有必要的刚度、强度以外，还应有良好的变形和耗能能力。支撑体系与平面门式刚架一起形成具有一定几何稳定性和空间整体性的轻钢结构，主要构件有墙梁、檩条、上弦横向水平支撑、柱间支撑、隅撑、刚性系杆、拉条等。本文仅以檩条为例，从选型、布置、计算和构造四个方面进行论述。（1）选型方面：檩条构件可以采用Z形带卷边的冷弯薄壁型钢和C形带卷边的槽钢。Z形檩条受力性能相对好，但制作与安装困难，一般适用于屋面坡度较大(i＞1/3)的情况。C形卷边槽钢，由于制作与安装方便，在工程中应用更为普遍，适用于屋面坡度较小(i≤1/3)的情况。（2）最优间距：结合前文所述的刚架间距内容，当刚架的跨度小于20m时，最优间距为4．5m，刚架的跨度大于20m时，最优间距为7．5m。（3）计算方法：采用简支梁进行檩条设计时，材料利用率偏低，故本文推荐檩条设计时按连续梁进行设计，在构造上予以保证，以取得较好的经济性。（4）构造方面：檩条为典型的弯扭构件。支撑和拉条是保证檩条稳定性的重要构件。从檐口的一端设置撑杆和拉条，依次连接每一根檩条直至另一端。一般情况下，根据檩条跨度的不同，在檩条中央设一道(L＞4m)或在檩条三分点处各设一道拉条(L＞6m)。由于檩条上翼缘受压，拉条宜设置在檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内。3结语本文重点探讨轻钢门式刚架结构的设计要点，在合理跨度的确定、刚架最优柱距的确定、结构抗震设计及支撑体系优选等4个方面提出了有针对性建议，以期抛砖引玉，希望更多的工程人员关注这种结构形式。相信随着我国工业化进程的发展，轻钢门式刚架结构凭借其优良的综合性能将得到广泛使用。参考文献：[1]李谷满．浅谈轻型门式刚架结构优化设计[J]．黑龙江科技信息，2009（33）：352[2]王万祯，孙玉萍，虎彦政．门式刚架的参数优化及设计建议[J]．建筑科学，2005，21（6）：69—72[3]夏文龙．浅谈门式刚架的经济尺寸与优化设计[J]．安徽建筑，2007（3）：87[4]陈跃．门式刚架优化设计[J]．低温建筑技术，2007（4）：62—64[5]CECS102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]