门式刚架轻型房屋钢结构的合理设计

1、门式刚架轻型房屋钢结构的合理设计0、前言在90年代前，我国房屋钢结构主要是应用于重型厂房，90年初，轻型门式刚架开始得到应用。门式刚架轻钢房屋结构体系由主刚架体系、檩条和支撑体系、围护体系三大体系构成。其中围护体系采用压型钢板作为面板带来了两大主要特点:结构自重轻蒙皮效应强。充分利用这两大特点,在保证安全可靠的前提下,可以在结构造型（变截面）、支撑体系、刚度设计（侧移限制）、稳定设计（利用隅撑）、局部稳定（按剪应力大小设加劲肋，利用屈曲后强度）、蒙皮效应利用、简单的端板式连接等方面采用了先进的模式与技术，从而降低了造价，比传统钢结构更为经济合理。1、选材1.1 主刚架和吊车梁:主刚架选用Q23

2、5B、Q345A及以上等级的钢材。吊车梁:行车吨位5t的轻级工作制吊车梁宜选用Q235B、Q345A等级的钢材；行车吨位较大或10t中级工作制吊车梁宜选用Q345B及以上等级的钢材。1.2 檩条:简支、小跨度的檩条宜选用Q235A等级的钢材；连续或大跨度的檩条宜选用Q345A等级的钢材。一般情况下,当由强度控制设计时宜用Q345A级钢材，充分利用其屈服强度高的优势。当由刚度控制设计时宜用Q235A级钢材，在同等用钢量的情况下利用其价格优势。当由稳定控制设计时，可根据具体情况选择Q345A 或Q235A级钢材。1.3支撑:屋面及柱间支撑一般采用张紧的圆钢,有较大吨位行车时柱间支撑用角钢，隅撑一般

3、采用角钢，这类型钢根据市场情况采用Q235钢。1.4压型钢板:基材:钢板基材在根本上决定彩涂钢板的承力性能和压型加工性能,因此在选用基材等级或牌号时,主要考虑其力学性能、化学成分及其冷弯性能。一般情况下,钢板基材宜选用Q235或性能与其相近的牌号;若为暗扣式压型钢板,则宜选用Q345或性能与其相近的牌号。镀层:镀层在钢板防腐性能方面起主要作用。各种彩板镀层厚度分别为:a)热镀锌钢板的镀层厚度双面和最小应不小于180g/m2,一般外层板采用 180g/m2275g/m2, 内层板可采用180g/m2; b)热镀锌合金化钢板的镀层厚度双面和一般取为180g/m2; c)热镀5%铝锌钢板(Galfa

4、n) 的镀层厚度双面和一般采用180g/m2275g/m2; d)热镀55%铝锌钢板(Galvalume) 的镀层厚度双面和一般取用150g/m2。在相同镀层厚度下,各镀层钢板的防腐性能按弱到强的排列顺序是热镀锌钢板热镀锌合金化钢板热镀5% 铝锌钢板 热镀55%铝锌钢板。涂层: 涂层(或称面漆)主要是有机(碳)化合物,主要作用是出于美观以及外加保护层的需要,因此其耐候性与防粉尘附着性是选择涂层时要考虑的主要因素。常用涂层的耐候性由弱到强的顺序是聚酯树脂(810年)硅改性聚酯树脂(815年)聚二乙烯氟树脂(20年)。2、结构布置2.1 合理柱距门式刚架的合理柱距69m，有行车时柱距宜小不宜大。特

5、别是对于行车吨位10t时，柱距宜7.5m，不带行车的门式刚架柱距宜取7.5m9m,且单跨越大选用柱距也应越大，此时不仅用钢量较为经济而且能满足工艺上大柱网的要求。2.2 端框架与山墙墙架端框架即山墙采用门式刚架，适用于以下几种情况:9m);几种情况外可考虑采用由斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙架。结合考虑山墙面的蒙皮效应后，可以用冷弯薄壁型钢做成轻型的铰接体系墙架。2.3支撑体系门式刚架结构体系属平面结构体系。在横向（即跨度方向）为平面主刚架，可以承担竖向荷载和横向荷载。在纵向是靠支撑来承担纵向水平力，使整体刚架构成具有空间刚度的建筑。支撑系统一般用钢量为0.51.5Kg/m2，只占整个结构用钢

6、量很少一部分，但其作用却很重要，设计时一定要加以重视。支撑利用圆钢时一般要求3040m设置一道，最大不宜超过60m。柱间支撑的位置宜与屋面支撑所在柱间相同，以便两榀刚架直接构成一个稳定的空间体系，可使房屋纵向风荷载传至基础的路线更直接，同时也使框架按有无支撑孔及连接板分类容易，方便了制作及安装。跨度较大或风载较大时，支撑体系宜多设几道，此部分的用钢量很小，但对整个结构非常有利。另外，多跨度结构中的中柱宜设柱间支撑，分担部分传至基础的纵向水平荷载，使屋面支撑构成的桁架体系具有中间支座效果，大大降低了支撑杆件的内力。支撑的传统计算模式是不管整个建筑有多少道支撑，均按迎风面的第一道支撑体系承担全部的

7、迎风面风荷载。虽简化了计算过程且回避了支撑间纵向系杆的计算，但是这种算法显然过于保守。按文献2的风荷载及支撑系统传力模式，则纵向系杆必然传力，因此门式刚架轻型房屋不宜按传统的简化计算模式来计算支撑系统内力。第二种简化计算方法是将两端山墙风荷载迭加在一起，除以支撑道数即得到每榀屋面桁架式水平支撑和柱间支撑所受的荷载。按文献3中对此种方法的精确计算分析，对于斜拉杆计算为精确值，对于直压杆计算内力值过于偏小，支撑道数越多，误差越大。建议此时应根据精确计算找出直压杆的内力进行设计，以保证整个支撑体系的安全，且又经济合理。在轻钢结构支撑设计中，通常交叉杆件采用张紧的圆钢，圆钢直径不宜超过30mm，因为大

8、于30mm之后预拉力过大，此时应考虑采用角钢支撑。传统钢结构中，屋面体系中通长的纵向系杆采用专门的圆钢管或双角钢类，用钢量较大。在轻钢结构中可从充分利用檩条兼作纵向系杆和屋面水平支撑中的直压杆。如受力较大可考虑用双檩条组成。此种做法与过去传统设计相比，可大大节省用钢量。3、檩条设计3.1 檩条和墙梁主要选用Z型或C型冷弯薄壁型钢，一般情况下除兼作窗框门框因建筑需要采用C型墙梁外，其余情况宜优先考虑采用Z型构件，将此两种型式构件作比较可得出如下结论:3.1.1 C型构件的剪心与形心有偏心,而Z型构件的剪心与形心重合(如图a示),因此在重力荷载作用下Z型构件的倾覆力矩要大于C型构件; Z型构件易于

9、搭接构成连续檩条型式;3.1.3 C型构件外形宜于作有窗设置的墙面檩条，此时C型墙梁兼作窗框。檩条承受双向弯矩和扭矩作用,受力较为复杂,同时考虑到便于运输和安装,冷弯薄壁C型钢与Z型钢檩条截面的高度不宜大于300mm。3.2 拉条拉条作用:拉条布置及做法: 檩条跨度大于4m时,应在檩条间跨中位置设置拉条。檩条跨度大于6m时,应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。在屋脊处可利用两边对称重力平衡不设斜拉条。屋面不对称或有天窗时，在屋脊处或天窗侧应设置斜拉条和撑杆；在檐口应设斜拉条以抵抗风吸力作用下的反向弯矩。拉条可采用圆钢或冷弯薄壁角型钢、槽型钢。采用圆钢作拉条时,圆钢直径宜不小于10,以使檩条上的开

10、孔孔径与支座处孔径一致。3.3 连续檩条设计将檩条设计成Z型嵌套式搭接(图b)构成连续梁模式，比简支梁檩条刚度大（挠度小），内力小，可大大节省用钢量。因此连续檩条适用于屋面荷载较大、跨度较大的情况。为了便于嵌套搭接设计成上下翼缘不等宽，为使嵌套搭接具有连续梁效果，其搭接区长度不宜小于跨度的10%。根据文献7，由于嵌套搭接存在有较大间隙，在支座处约有10%的弯矩释放，此释放量将加到在跨中去。3.4 多跨静定檩条设计实腹式多跨静定檩条宜采用高频H型钢,适用于柱距大或屋面荷载很大的情况。多跨静定檩条的静力铰设置位置宜使支座弯矩与跨中弯矩大致相等,通常可设在与支座的距离为邻跨跨度的1/6处(图c)。同

11、时需考虑铰节点处的抗扭措施，可采用设拉条等方式。3.5 檩条的稳定性设计檩条的稳定性应考虑围护板的布置和固定方式并通过构造方法来解决。如屋面板为双层且与檩条上、下翼缘均有可靠连接时，稳定可不计算，仅计算强度。如屋面板为单层且与檩条上翼缘有可靠连接时，宜在靠檩条下翼缘处设单排圆钢拉条，保证下翼缘受压时不失稳。如屋面板为单层且为咬合或暗扣式板，宜在靠檩条上、下翼缘处设双排圆钢拉条或采用C型截面拉条，以保证上翼缘或下翼缘受压时不失稳。4、刚架设计4.1 刚架选型:单脊双坡与多脊多坡多跨刚架采用单脊双坡屋顶有利于屋面排水，且天沟仅设两道，做法较简便，如不设女儿墙还可采用外挂天沟可有效防止房屋内漏水，因

12、此在多雨地区宜采用此种建筑方案。在跨度大且设置女儿墙时宜采用多脊多坡结构型式，可减小建筑高度，也可减小钢梁挠度引起的屋面凹坑效应，防止屋面积水；同时女儿墙高度比单脊双坡结构女儿墙高度小，风载较大时此结构型式比单脊双坡结构合理。但多脊多坡结构型式将增加檩条、内天沟和室内排水沟的费用，且内天沟容易产生渗漏和堆雪现象。以上两种结构型式在跨度相同时，刚架用钢量相差不大。4.2 构件型式:柱:柱脚铰接时宜采用楔形柱，其高度变化根据门式刚架弯矩分布图，可达到充分利用材料的目的，进一步还可利用屈曲后的强度，使构件的高厚比大于传统的钢结构构件。柱脚刚接时宜采用等截面柱，制作简便。梁:双楔形梁比两端加腋梁易于流

13、水线生产，但截面变化与梁的应力变化符合程度不及两端加腋梁，因此用钢量比两端加腋梁要稍高。设计时宜根据门式刚架弯矩分布图采用两端加腋梁。（图d）4.3 构件截面尺寸:梁、柱采用H型截面,其高宽比(h/b)约为26,此比值随选用的截面增高而逐渐增大。楔形柱小头截面的高度不应小于200mm,大头截面高度约为跨度的1/301/40。等截面柱截面的高度约为柱高的1/181/25。两端加腋梁等截面部分的截面高度约为跨度的1/501/60，与边柱连接的加腋高度约为跨度的1/30，与中柱连接的加腋高度约为跨度的1/251/30。4.4 摇摆柱设计:摇摆柱应根据其两端连接构造的实际情况，进行合理设计。如使用的计

14、算软件不能考虑摇摆柱两端因弹性嵌固而产生的弯矩和剪力，在具体设计中需要设计人员通过概念设计来考虑。例如控制应力水平，是一种较为简单的解决办法。为节省用钢量，多跨结构的中柱宜采用摇摆柱，但中柱设为摇摆柱时，需依靠边柱对其提供柱顶的侧向约束，从而加重了边柱的负担，使边柱平面内计算长度增大。尤其檐高较高的多跨结构的中柱宜部分采用摆柱，其余中柱柱顶与钢梁刚接连接，中柱为摇摆柱时不宜连续超过3根。4.5 构件稳定设计：构件的整体稳定设计构件侧向无约束自由长度越长，稳定性越差，则所要求构件的翼缘宽度也应越宽。门式刚架轻型房屋常将屋面金属板和墙面金属板牢固地连接在檩条上。檩条通过檩托牢固地连接在框架上，形成

15、一个互相约束的空间整体结构，利用围护板对檩条构成侧向约束，檩条则构成梁和柱的侧向约束，充分利用这种约束是一种十分经济有效的解决各构件整体稳定的途径。当檩条与构件的受压翼缘相连时，檩条构成对构件的侧向支撑；当檩条与构件的受拉翼缘相连时，加隅撑连接檩条与受压翼缘使之成为构件的侧向支撑，以保证构件的整体稳定。梁、柱侧向无约束自由长度此时取隅撑之间的最大间距。按CECS102：2002中第6条中斜梁不需计算整体稳定性的侧向支承点间最大长度，可取斜梁受压翼缘宽度 倍，对于檩距约1.41.5m，翼缘宽度为200240mm的斜梁，其长度约为2个檩距。作为一般性原则，在梁柱连接附近区域，因其负弯矩值大，为稳定

16、的主要控制区，宜每根檩条均设置隅撑；尽管每根檩条处设置隅撑，但斜梁的平面外计算长度仍不能小于两个檩条间距。其余区域则每隔一檩条设一道隅撑。构件的局部稳定设计工字型截面的梁中，腹板在参与抵抗弯矩的工作中远不如翼缘有效，因此，腹板宜做高而薄，才能使材料使用得更加经济合理。但如此一来，腹板则可能出现局部屈曲，局部屈曲也会影响到构件的整体稳定承载能力。传统的钢结构设计，以腹板的局部屈曲临界剪应力不低于其抗剪强度fvy为条件，局部屈曲临界弯曲应力不低于其弯曲强度Fy为条件，按此条件，则腹板高厚比达到4.6 构件节点设计柱脚设计常规的门式刚架轻型房屋自重轻，在水平荷载（特别是风荷载）组合作用下，刚接柱脚型

17、式的柱底反力偏心距往往很大，为了满足此要求，基础便做得较大，造成不经济。另外如工程地点地质条件较差时，基础的造价对柱底弯矩的大小更为敏感。因此对于不带行车或行车吨位<5t的门式刚架柱底宜做成铰接，行车吨位 >5t的门式刚架柱底则宜做成刚接以满足侧向刚度大的要求。刚接柱脚底板不要轻易用厚板，应考虑设置加劲肋减小底板的弯矩，以求减小底板厚度。铰接柱脚通过计算锚栓直径往往很小，且用二颗锚栓固定柱脚似乎更接近铰接计算模型，但实际工程需考虑施工安装问题：在柱底板底面与基础顶面之间有一层 5070MM厚的二次浇灌层，浇灌层是在钢柱安装到位且调整完毕后才进行施工的。浇灌之前钢柱底板需用调整螺母或

18、沿底板周边加斜垫块作为临时支承件。如下图e示，在底板的一个方向上锚栓仅为一排，钢柱在安装调整过程中易使锚栓折弯甚至弯断，因此在采用铰接柱脚型式时建议用四个锚栓固定，则底板的二个方向上均为二个锚栓，保证施工的方便与安全。梁柱连接节点等截面边柱与梁连接宜采用侧向竖接，楔形边柱与梁连接宜采用柱顶平接或斜接，中柱与梁连接宜采用柱顶平接。平面框架建模计算时，模型中的梁、柱杆件节点往往与施工图设计中的梁、柱连节点位置略有偏差（如图f示）。梁柱竖向连接时应取A-A处内力，梁、柱横向连接时应取B-B处内力。由于该节点处弯矩从最大值沿梁、柱方向在很短距离里下降很快（如图g示），因而此时如按O点最大弯矩用于该节点

19、设计时过于保守，造成端板厚及螺栓数量上的不经济。另一方面，因端板的连接实际上不能完全达到刚接的效果，有可能调幅，在该节点处弯矩会释放一部分到跨中，因此该节点实际内力应小于设计内力。建议梁、柱连接节点内力应取相应连接处的内力进行节点设计，不考虑调幅的影响。柱顶竖向端板加厚宜采用内平方式，同一柱内腹板则可等宽，方便了制作。梁-柱或梁-梁直接采用端板式连接比传统钢结构采用拼板式连接要简单得多。在端板式连接中，所采用的高强度螺栓主要承受拉力的作用，所承受的剪力很小。一般情况下不到其摩擦抗剪（按抗滑移系数为0.3计）能力的10%。此种连接型式中，无需采取提高抗滑移系数的措施 2 。因此，轻钢连接采用端板

20、式连接，可大大节省成本。当然，端板式连接对于高强度螺栓的预紧力是有严格要求的，必须保证预紧力，否则节点的松动会影响整个刚架的刚度达不到要求。4.7 檩托檩托的作用是：方便安装。对檩条提供抗侧向倾覆约束。檩托宜采用角形截面或背面加劲板（如图h示）。不宜采用单块钢板作檩托，这种檩托侧向刚度很差，在不利荷载作用下易倾覆。5、小结根据以上分析，小结如下：5.1门式刚架构件宜选用Q235B、Q345A钢材，对于围护板应根据其板型及使用条件选择其相应的基板和镀层及涂层的彩钢板。5.2柱网尺寸宜根据厂房跨度大小，行车设置情况及工艺要求等选取。5.3结构选型：采用变截面构件符合刚架弯矩分布情况，达到充分利用材

21、料之目的。5.4利用檩条兼作屋面支撑体系中的压杆,可大大节省用钢量。5.5连续檩条较之简支檩条刚度大（挠度小）、内力小，可节省用钢量。5.6利用檩条加隅撑形成对屋面梁、柱侧向约束，减小其面外计算长度，提高其稳定承载力，经济合理。5.7局部稳定应根据剪应力水平确定是否设置加劲肋。5.8端板式连接高强度螺栓因承受的剪力很小，可不必考虑端板的抗滑移系数。5.9梁、柱连接节点可取相应节点处的内力进行设计。5.10 考虑安装因素,铰接柱脚宜采用四颗锚栓固定。参考文献1陈友泉轻钢结构蒙皮效应的应用探讨,建筑结构2002第二期2中国工程建设标准化协会标准，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CESC102：2002 。3陈友泉关于轻钢结构支撑系统内力计算及设计问题