门式刚架设计综述

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门式刚架轻钢结构由于采用轻型屋面．可减小梁柱截面及基础尺寸，在大跨度建筑中增设中间柱做成一个屋脊的多跨大双坡屋面，可避免内天沟排水．中间柱可采用上下铰接摇摆柱，具有所占空间小，构件可全部在工厂制作，工业化程度高，构件单元可根据运输条件划分．单元之间在现场用螺栓连接，安装方便快捷，土建施工量小等优点。因此，门式刚架轻钢结构普及很快。但目前专门的轻钢结构设计单位还较少．有的设计单位在设计轻钢结构时，往往沿用传统的钢结构概念，笔者在近年来的设计中。也体会到有些方面应加以注意，尽量把门式刚架结构设计的更合理一些。

1防火设计

现代工业厂房中，很多是大空间、大跨度、通透的。为了有效的把火灾控制在较小范围内，《建筑设计防火规范》要求在建筑物内划分防火分区，并明文规定了各级防火分区的最大允许面积。钢结构厂房的承重构件一般为钢柱、钢梁，建筑外表面覆以彩色压型钢板。根据《建筑设计防火规范》的规定，其柱、梁的耐火时间均为0．25～0．5小时建筑物的耐火等级仅为四级(耐火等级较低)。以设计中经常遇到的煤预均化堆场为例，其生产类别为丙类，规范要求的最低耐火等级为二级，这样，轻钢结构厂房就达不到要求。解决的方法，可在柱、梁表面喷涂防火隔热涂料，使其耐火时间可达1．52．5小时，这样，建筑物的耐火等级可按二级考虑，满足规范要求。但应注意，在结构计算时考虑防火涂层的重量。

2设计有关规则

1)刚架设计首先是材料的选择，目前比较常用的钢材是Q235钢和Q345钢。当强度起控制作用时，可选择Q345钢，刚度控制时，宜使用Q235钢。

2)刚架一般按弹性理论设计，而等截面的实腹式刚架亦可采用塑性设计。但对结构进行塑性设计的内力分析时，采用简单塑性理论，应同时满足下列三个基本条件，并遵循《钢结构设计规范)(GB50017-2003)的有关规定。①平衡条件：任何隔离体上的内力和外力应相互平衡，按不同的荷载组合求出内力，再取其中最大者进行设计；②全塑性弯矩条件：以截面的全塑性弯矩(Mp=Wp•fp)作为极限弯矩，在等截面构件内，沿构件全长所有截面内的弯矩M<Mp；③形成机构条件：使结构整体或一部分形成机构。

3)设计人员在进行刚架构件截面试算时，当预估的截面不满足，需加大截面时，应该分情况区别对待。①强度不满足：工字型截面受弯构件中．腹板以受剪为主，翼缘以受弯为主。若强度不满足，通常采用加大组成截面的板件厚度或采用加大腹板的高度两种方法。其中若仅采用加大组成截面的板件厚度的方法，抗弯能力不满足可加大翼缘厚度，抗剪能力不满足可加大腹板厚度。如采用增大腹板高度的方法可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分。若在增大腹板高度的同时厚度也相应增加。则腹板耗钢量过多，不经济。因而不过多增大腹板厚度而充分利用板件屈曲后的强度是比较合理的。需要提出的一点是，当工字型截面构件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；②变形超限：通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济的。

3刚架梁、柱连接节点形式比较

刚架梁柱连接节点应具有足够的强度和刚度．以及适当的变形能力，同时要求构造简单，加工、制作、安装方便。

3．1刚架节点的形式及特点刚架梁柱不加腋的矩形节点。转角处应力集中高，刚度小，转动能力大，构造简单：刚架梁柱加腋的矩形节点，加腋高度一般不超过梁高的1／2’冈0度较大，转动能力小，施工并不麻烦，但不太美观。

3．2梁柱刚性连接方式及特点端板平放，对边柱来说可减少连接处的剪力，受力情况有利，连接刚度较好，构造简单、易于施工，适用于厂房高跨比较小，竖向荷载起控制作用时：对中柱来说受力合理，构造简单，节省螺栓．施工方便。端板竖放，连接处剪力较大、使用螺栓最多，连接刚度较差，施工亦不方便；对中柱来说构造复杂，所需螺栓多，施工困难。端板斜放，对边柱来说适用于节点弯矩较大时，连接刚度最好，构造复杂。施工不方便。需要注意的是，由于多种因素的影响，各种端板连接仍不能达到理想的刚性连接。因此当假设按刚接计算时，横梁的挠度和柱顶水平位移宜乘以较大系数，建议取1．15。另外，平齐式端板连接刚度较小，应限制使用，一般采用外伸式端板。为改善外伸式端板受拉螺栓的受力情况，端板外伸部分宜予以加筋。当条件许可时，在柱节点域内宜设置斜加劲筋，端板连接时，螺栓布置宜对称、较均匀．在翼缘附近的螺栓不宜太密．中部亦不宜过疏。

4屋面板及檩条设计

现在不少施工图纸檩条通常是等间距布置，檩条对屋面板是等跨支座。例如跨度15m以上的刚架多为双坡，每坡屋面板在7．5m以上，根据檩条布置，屋面板多按5跨等跨连续梁设计，其结果是屋面板端跨的跨中弯矩比中跨的跨中弯矩大很多，按端跨跨中弯矩选用屋面板，则中跨屋面板不能充分发挥作用。对檩条的荷载又以屋面板第二支座反力为依据．第二支座反力是5跨连续板中反力最大的支座．以此反力设计檩条，此时只有屋面板第二支座的檩条能充分发挥作用，中跨支座檩条承载力富裕很多．不能充分发挥作用。为此建议檩条采用不等跨布置，檩条的布置在屋面板端跨处间距减少而中跨处间距放大，使屋面板的端跨弯矩和中间跨弯矩比较接近，或由于檩条不等跨布置使屋面板支座反力比较接近，这样能充分发挥屋面系统的材料性能，降低造价。檩条设计常出现的一个问题是忽略计算檩条在风吸力作用下的稳定．导致檩条在风吸力作用下很容易失稳破坏，设计时应注意验算檩条截面在风吸力作用下是否满足要求。檩条与刚架斜梁上翼缘连接处需注意的是不应设单板檩托。而应增加加劲肋檩托的作用除固定檩条，防止檩条倾覆外，尚要承受檩条因荷载偏心产生的扭矩。因此檩托应有必要的刚度和承载力，以便对檩条端部提供扭转约束。

5荷载的选用

屋面活荷载一般取为O．5kN／m，当受荷水平投影面积超过60m。且只有一种可变荷载时．可取为0．3kN／m，雪荷载与屋面活荷载不同时考虑，取其大值计算，应考虑积雪不均匀分布的最不利情况。风荷载：房屋风荷载的体型系数与房屋形状有关，与所选结构类型无关，一般应采用《建筑结构荷载规范》GB50009—200lf2006年版)第7．3节中所列的风荷载体型系数计算结构风荷载。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECSl02：2o02)是根据美国金属房屋制造商协会MBMA<低层房屋体系手册}(1996)并经过实测作出规定的，可供设计人员作为加强刚架个别截面和验算的参考。