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门式钢架设计分析
更新时间：2014-01-21 15:53:26点击次数：1192次
摘要：本文作者结合实际工作经验，对门式钢架选型设计进行了分析探讨，供大家参考。
关键词：门式钢架；选型；设计；分析
轻型门式钢架在我国建筑物的应用比较广泛，技术日趋于成熟，但是还有许多问题需要进一步地解决，应该充分地对其设计选型进行分析和规范，从而能够提高设计的经济性和安全性，提高轻型门式钢架的市场竞争力。
轻型门式钢架是一种轻型钢结构，已经成功地应用于工业建筑以及民用建筑中，具有节约资金、提高施工效率，近十几年来在我国各行各业中得到了大量的应用。所以，结构工程师为了能够发挥其优势，在设计过程中对轻型门式钢架选型进行选型设计，减少用钢量非常重要了。轻钢结构建筑物的用钢量主要和结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能、有无吊车、单跨多跨等条件密切相连，其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱距、檐口高度和屋面坡度。
1 轻型门式钢架柱网的平面布置
轻钢厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用的基础上，根据房屋的高度确定合理的跨度。通过已往多个工程的设计实践，在门式钢架设计过程中对柱网的确定得出以下结论：当檐高 6m、柱距为 7.5m，荷载情况完整一致下，跨度在 18-30m 之间的钢架单位用钢量(Q235B)为 18-28kg／m，当跨度在 21-48m 之间的钢架单位用钢量为 25—40kg㎡，当檐高为 12m、跨度大于 48m 时可以利用多跨钢架(中间设置摇摆柱)，其用钢量和单跨钢架可以节省 18％，所以设计门式钢架时应该按照实际需求确定比较经济的跨度，不应该盲目地选用大跨度。对于门式钢架轻型钢结构，钢架用钢量最为关键，当钢架跨度比较小时，钢架用钢量占总用钢量的 50％以上，对于其余各个构件用钢量，尤其是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，通常占有比较小的比例。 随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增长而增长，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了钢架的用钢量。其次是檩条，因为长细比的需求，用钢量提高的速度增加。综合考虑各项用钢量，设计时应该对多种方案进行对比分析，最终确定最佳的设计方案。
2 架荷计算
门式刚架轻型房屋一般按照平面结构进行计算。横向框架柱脚可以铰接，也可以刚接，对于吊车吨位较大的厂房通常采用刚接；梁柱之间采用摩擦型高强螺栓连接，可以视为刚接，对于跨度较大的厂房中间可设摇摆柱。总之，横向框架通过自身的刚度承受荷载，并通过钢柱基础传递给地基。纵向刚架一般视为柱脚铰接，刚架梁柱转折处通常情况下设系杆，该系杆和刚架可以看作铰接。所以，从理论上可以认为无支撑的刚架在纵向属于一个可变体系。纵向刚架中主要是承受建筑物在纵向的水平力，如吊车纵向制动力和山墙上的风荷载．这部分荷载最终也是通过钢柱基础传递给地基。
柱脚铰接的刚架，钢柱基础柱顶所承受的作用力包括以下几个部分，分别是竖值力、水平力、刚接柱脚上的作用力包括一个弯矩。 水平荷载形成的原因有：一方面门式刚架在竖值方向荷载作用下形成的水平推力；水平荷载(特别是风荷载)所形成的水平力。铰接柱脚的计算比较简便，基础的底面积比较小；而刚接柱脚，特别是吊车吨位或风荷载较大的厂房，横向框架底端的弯矩通常情况下具有较高的数值，水平剪力在基础地面所合成的弯矩值较大。尽管在构造上钢柱基础同钢筋混凝土框架各有不同，然而设计原理和过程和普通的钢筋混凝土房屋的基础一致。
3 门式钢架承重结构主要结构选型
钢架的间距主要的影响因素有钢架的跨度、屋面荷载和檩条形式等。当钢架跨度比较小的时候，可以选取较大的钢架间距进而能够提高檩条的用钢量，但这种做法并不经济。按照相关统计分析可得，当柱距增加时，钢架的用钢量随之减少，但是当柱距达到一定量时，钢架的用钢量随柱距的提高而缓慢地减少，但是檩条、吊车梁、墙梁的用钢量则随柱距的增加而提高，但是，当柱距增大时，建筑物总用钢量会先减少，再增加。通过分析不同项用钢量可知，对特定条件下的轻型门式钢架结构，一定有一个最优柱距。门式钢架承重结构主要包括钢架和基础两个部分。门式钢架承重结构体系的钢架、檩条(或墙梁)以及压型钢板间利用可靠的连接以及支撑彼此依靠，其体系受力和传统钢结构体系比较具有空间化的特点。基础型式多采用钢筋混凝土独立式基础。按照建筑物对侧向位移和变形的实际需求，从节约用钢量的角度考虑，应该利用变截面梁柱、基础铰接结构方案或等截面柱变截面梁、基础刚接结构方案。设计时应该按照实际情况，根据最合理的钢架承重结构方案选取。
4 内力计算和侧移计算
内力计算方法如下：对于变截面门式钢架，可以利用弹性力学理论求解各种内力，仅仅在钢架的梁柱全部为等截面时才能够利用塑性分析方法。变截面门式钢架的内力一般利用杆系单元的有限元法(直接刚度法)编制相应的程序在计算机上进行优化计算。地震作用的效应可以利用底部剪力法进行分析。按照不同荷载组合下的内力分析结果，发现控制截面的内力组合，控制截面的位置通常情况下在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、粱跨中等截面。侧移计算方法如下：变截面门式钢架的柱顶侧移可以利用弹性力学的理论计算，计算时荷载可以选取标准值，不考虑荷载分项系数。当最后验算时钢架的侧移刚度不符合要求时，需要应用下列手段进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，把铰接柱脚转换为刚接柱脚。
5 支撑体系、檩条、墙梁及计算分析
支撑设置的基本原则的主要依据是《门规》4.5.2 条，支撑主要有两种情况：如果没有吊车时，支撑体系可以利用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。可以选取花篮螺栓，尽管较圆钢支撑端部用螺母张紧的方式提高少量费用，然而可以较好地消除由于支撑松弛导致的负面影响；当选用 5t 以上起重量的桥式吊车时，柱间可以利用刚性支撑，然而在温度区段端部吊车以下最好不采用柱间的刚性支撑。计算过程中必须注意平面外计算长度的问题，一般而言梁和边柱的平面外计算长度取决于受压翼缘的隅撑间距，中柱的计算长度取决于柱间系杆距离。而中柱设置系杆通常情况下受到厂房使用功能的制约，在允许的条件下，梁柱截面尽可能不要通过平面外稳定控制，否则设计容易产生浪费。在某些屋脊处有通风气楼的厂房，通常不设置檩条，可以设置相应的压杆从而能够降低平面外计算长度。实腹式檩条的计算可以根据《门规》6.3.7 来进行，可以分为两种情况，即屋面能阻止和不能阻止檩条侧向位移和扭转。拉条的布置可以依据《门规》6.3.6 条。而对拉条的位置最佳的设计方法是设置双层拉条，然而习惯做法是仅在檩条的上翼缘临近处设置拉条。当檩条在风吸力组合作用下下翼缘处于受压状态时，可以进行稳定计算验证。 这种情况下檩条下翼缘侧向计算长度可以利用跨度进行。墙梁的计算公式依据《门规》6.4.4 条，墙梁拉条的布置依据《门规》6.4.13 条进行。当利用扣合式屋面时，屋面板无法成为檩条的侧向支撑，檩条必须按照各种不同的情况分别依据不同的方法计算分析。 “门规”对不同情况做了非常详细的规定，设计中应该给予关注。
6 结论
轻型门式钢架选型设计对于工业建筑和民用建筑是非常重要的环节。分别讨论了轻型门式钢架柱网的平面布置、架荷计算、门式钢架承重结构主要结构选型、内力计算和侧移计算、支撑体系、檩条、墙梁及计算分析、屋面、(围护)墙面的构造几个方面的内容。
关键词：门式钢架；选型；设计；分析
轻型门式钢架在我国建筑物的应用比较广泛，技术日趋于成熟，但是还有许多问题需要进一步地解决，应该充分地对其设计选型进行分析和规范，从而能够提高设计的经济性和安全性，提高轻型门式钢架的市场竞争力。
轻型门式钢架是一种轻型钢结构，已经成功地应用于工业建筑以及民用建筑中，具有节约资金、提高施工效率，近十几年来在我国各行各业中得到了大量的应用。所以，结构工程师为了能够发挥其优势，在设计过程中对轻型门式钢架选型进行选型设计，减少用钢量非常重要了。轻钢结构建筑物的用钢量主要和结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能、有无吊车、单跨多跨等条件密切相连，其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱距、檐口高度和屋面坡度。
1 轻型门式钢架柱网的平面布置
轻钢厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用的基础上，根据房屋的高度确定合理的跨度。通过已往多个工程的设计实践，在门式钢架设计过程中对柱网的确定得出以下结论：当檐高 6m、柱距为 7.5m，荷载情况完整一致下，跨度在 18-30m 之间的钢架单位用钢量(Q235B)为 18-28kg／m，当跨度在 21-48m 之间的钢架单位用钢量为 25—40kg㎡，当檐高为 12m、跨度大于 48m 时可以利用多跨钢架(中间设置摇摆柱)，其用钢量和单跨钢架可以节省 18％，所以设计门式钢架时应该按照实际需求确定比较经济的跨度，不应该盲目地选用大跨度。对于门式钢架轻型钢结构，钢架用钢量最为关键，当钢架跨度比较小时，钢架用钢量占总用钢量的 50％以上，对于其余各个构件用钢量，尤其是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，通常占有比较小的比例。 随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增长而增长，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了钢架的用钢量。其次是檩条，因为长细比的需求，用钢量提高的速度增加。综合考虑各项用钢量，设计时应该对多种方案进行对比分析，最终确定最佳的设计方案。
2 架荷计算
门式刚架轻型房屋一般按照平面结构进行计算。横向框架柱脚可以铰接，也可以刚接，对于吊车吨位较大的厂房通常采用刚接；梁柱之间采用摩擦型高强螺栓连接，可以视为刚接，对于跨度较大的厂房中间可设摇摆柱。总之，横向框架通过自身的刚度承受荷载，并通过钢柱基础传递给地基。纵向刚架一般视为柱脚铰接，刚架梁柱转折处通常情况下设系杆，该系杆和刚架可以看作铰接。所以，从理论上可以认为无支撑的刚架在纵向属于一个可变体系。纵向刚架中主要是承受建筑物在纵向的水平力，如吊车纵向制动力和山墙上的风荷载．这部分荷载最终也是通过钢柱基础传递给地基。
柱脚铰接的刚架，钢柱基础柱顶所承受的作用力包括以下几个部分，分别是竖值力、水平力、刚接柱脚上的作用力包括一个弯矩。 水平荷载形成的原因有：一方面门式刚架在竖值方向荷载作用下形成的水平推力；水平荷载(特别是风荷载)所形成的水平力。铰接柱脚的计算比较简便，基础的底面积比较小；而刚接柱脚，特别是吊车吨位或风荷载较大的厂房，横向框架底端的弯矩通常情况下具有较高的数值，水平剪力在基础地面所合成的弯矩值较大。尽管在构造上钢柱基础同钢筋混凝土框架各有不同，然而设计原理和过程和普通的钢筋混凝土房屋的基础一致。
3 门式钢架承重结构主要结构选型
钢架的间距主要的影响因素有钢架的跨度、屋面荷载和檩条形式等。当钢架跨度比较小的时候，可以选取较大的钢架间距进而能够提高檩条的用钢量，但这种做法并不经济。按照相关统计分析可得，当柱距增加时，钢架的用钢量随之减少，但是当柱距达到一定量时，钢架的用钢量随柱距的提高而缓慢地减少，但是檩条、吊车梁、墙梁的用钢量则随柱距的增加而提高，但是，当柱距增大时，建筑物总用钢量会先减少，再增加。通过分析不同项用钢量可知，对特定条件下的轻型门式钢架结构，一定有一个最优柱距。门式钢架承重结构主要包括钢架和基础两个部分。门式钢架承重结构体系的钢架、檩条(或墙梁)以及压型钢板间利用可靠的连接以及支撑彼此依靠，其体系受力和传统钢结构体系比较具有空间化的特点。基础型式多采用钢筋混凝土独立式基础。按照建筑物对侧向位移和变形的实际需求，从节约用钢量的角度考虑，应该利用变截面梁柱、基础铰接结构方案或等截面柱变截面梁、基础刚接结构方案。设计时应该按照实际情况，根据最合理的钢架承重结构方案选取。
4 内力计算和侧移计算
内力计算方法如下：对于变截面门式钢架，可以利用弹性力学理论求解各种内力，仅仅在钢架的梁柱全部为等截面时才能够利用塑性分析方法。变截面门式钢架的内力一般利用杆系单元的有限元法(直接刚度法)编制相应的程序在计算机上进行优化计算。地震作用的效应可以利用底部剪力法进行分析。按照不同荷载组合下的内力分析结果，发现控制截面的内力组合，控制截面的位置通常情况下在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、粱跨中等截面。侧移计算方法如下：变截面门式钢架的柱顶侧移可以利用弹性力学的理论计算，计算时荷载可以选取标准值，不考虑荷载分项系数。当最后验算时钢架的侧移刚度不符合要求时，需要应用下列手段进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，把铰接柱脚转换为刚接柱脚。
5 支撑体系、檩条、墙梁及计算分析
支撑设置的基本原则的主要依据是《门规》4.5.2 条，支撑主要有两种情况：如果没有吊车时，支撑体系可以利用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。可以选取花篮螺栓，尽管较圆钢支撑端部用螺母张紧的方式提高少量费用，然而可以较好地消除由于支撑松弛导致的负面影响；当选用 5t 以上起重量的桥式吊车时，柱间可以利用刚性支撑，然而在温度区段端部吊车以下最好不采用柱间的刚性支撑。计算过程中必须注意平面外计算长度的问题，一般而言梁和边柱的平面外计算长度取决于受压翼缘的隅撑间距，中柱的计算长度取决于柱间系杆距离。而中柱设置系杆通常情况下受到厂房使用功能的制约，在允许的条件下，梁柱截面尽可能不要通过平面外稳定控制，否则设计容易产生浪费。在某些屋脊处有通风气楼的厂房，通常不设置檩条，可以设置相应的压杆从而能够降低平面外计算长度。实腹式檩条的计算可以根据《门规》6.3.7 来进行，可以分为两种情况，即屋面能阻止和不能阻止檩条侧向位移和扭转。拉条的布置可以依据《门规》6.3.6 条。而对拉条的位置最佳的设计方法是设置双层拉条，然而习惯做法是仅在檩条的上翼缘临近处设置拉条。当檩条在风吸力组合作用下下翼缘处于受压状态时，可以进行稳定计算验证。 这种情况下檩条下翼缘侧向计算长度可以利用跨度进行。墙梁的计算公式依据《门规》6.4.4 条，墙梁拉条的布置依据《门规》6.4.13 条进行。当利用扣合式屋面时，屋面板无法成为檩条的侧向支撑，檩条必须按照各种不同的情况分别依据不同的方法计算分析。 “门规”对不同情况做了非常详细的规定，设计中应该给予关注。
6 结论
轻型门式钢架选型设计对于工业建筑和民用建筑是非常重要的环节。分别讨论了轻型门式钢架柱网的平面布置、架荷计算、门式钢架承重结构主要结构选型、内力计算和侧移计算、支撑体系、檩条、墙梁及计算分析、屋面、(围护)墙面的构造几个方面的内容。
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