1、门式刚架结构设计若干问题的探讨摘要：门式刚架因其自重轻，建设周期短及较好的抗震性能被建筑师和结构师广泛地应用于建筑工程中，然而在实际设计中，会出现很多问题，致使运用此结构时也出现了许多问题。本文主要谈谈门式刚架结构设计的重要方法以及其设计过程中出现的主要问题，并提出一些合理化建议。 关键词：门式刚架；结构设计；问题；建议 中图分类号： TU318 文献标识码： A 前言 在具体工程中，门式刚架结构具有不可代替的优越性，因为门式刚架是典型的轻型钢结构，其用在工程中，不仅可以大大节省材料，还会缩减施工周期。因此，现阶段我国门式刚架在国内的应用相当广泛。然而，在设计阶段会出现一些比较严重的问题，致使
2、在应用时对工程造成影响。 门式刚架重要设计方法弹性设计法 弹性设计法首先根据荷载分析内力，然后验算柱子的强度，平面内外的稳定性，验算斜梁的强度和平面外稳定。在强度和平面外的稳定计算公式上看,我国与欧美国家相差不大。在强度计算上，我们利用弹性设计或允许开展部分塑性,而西方发达国家根据板件宽厚比对截面分类，要分别采用完全弹性或完全塑性设计法,这可造成 5%左右的应力差距。平面外稳定的计算公式与外国公式及试验资料进行过比较而确定，因而无太大的差别。 对门架的平面内有侧移失稳，我们根据横梁展开的线刚度与柱的线刚度比值，查表或用近似公式确定柱子计算长度，对柱脚铰接的情况，计算长度系数在 24 之间，大部
3、分在 2.53.5 之间，5m 长的门架柱要按 1215m 长确定压杆稳定系数。 随着屋面坡度的降低，门架结构出现了通常薄壳结构才会遇到的新的一类失稳形式跳跃失稳，国内对门架的这类失稳现象尚未研究过，英国钢结构新规范已有这方面的设计公式。 横梁在檐口部位的下翼缘受压，上翼缘受拉，此时横梁仅在受拉区有檩条侧向支撑，不能将其作为横梁的完全的侧向支撑。设计手册要求通过设置隅撑来防止梁的侧向弯扭失稳。 门式刚架轻型房屋钢结构设计存在的问题 设计方面的问题主要是在结构形式和布置、屋面活荷载取值、节点的设计、檩条计算和摇摆柱稳定计算等几个方面： （一）结构形式以及布置问题 要依据房屋的体系特点、荷载分布情
4、况及性质等全面考虑和确立房屋结构形式以及布置，因为其设计好门式刚架轻型房屋的基础就是结构形式以及布置。一般情况下，要力学模型清晰，尽可能将大荷载或者移动荷载的作用范围进行限制，以使荷载直接的传递到基础。对于规范中没有涉及到的或难以精确分析的问题，可以根据整体结构体系和分体系的力学关系、自然灾害等中获得的设计理念，从不同方面来确定轻型结构房屋的结构形式及其布置。 （二）屋面活荷载取值 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002 第 3.2.2 中规定：对受荷水平投影面积大于 60m2 刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取用不小于 0.3kN/m2。但同时在钢结构设计规范GB500
5、17-2003 第 3.2.1 中规定对支撑轻屋面的构件或结构（屋架、框架等） ，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过 60m2 时，屋面均布活荷载标准值应取为 0.3kN/m2。由于门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002 为协会标准，属推荐性标准。 钢结构设计规范GB50017-2003 为国家标准，属强制性标准。按照我国相关法律法规，推荐性标准应服从强制性标准，因此，屋面活荷载屋面均布活荷载标准值应取为 0.3kN/m。 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002第 3.2.5 中规定：屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值，设计过程中应注意。
6、 （三）檩条的计算 檩条多采用冷弯薄壁构件，檩条计算问题较大，受压板件或压弯板件的宽厚比大，当受力弯曲时，应采用有效宽度进行强度计算，不能像热轧型钢那样全截面有效。在设计时常常将强度计算要用净断面的情况忽略掉，忽略钉孔减弱。当这种情况减到一定数值时会对小截面窄翼缘的梁影响较大。 （四）节点的设计 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102：2002 第7.2.3、7.2.4 中规定：主刚架构件的连接应采用高强螺栓，可采用承压型或摩擦型连接;端板连接的螺栓应成对对称布置。 端板连接节点承受弯矩，在螺栓中产生拉力，同时端板和柱子的翼缘之间产生橇力,使螺栓承受更大的拉力。英美等国都显示计算橇力，将
7、橇力作为螺栓承受外载的一部分进行计算。而我们则通过对螺栓的容许拉应力进行折减，相当于考虑橇力大小为 0.25 倍的由弯矩产生的螺栓拉力，并且不再对橇力进行计算。节点的设计其实应包含端板、柱子翼缘柱子腹板等的强度和稳定计算，并由此判断是否需要设置加劲肋。端板应验算它是否会形成板的塑性机构，并以此确定端板的厚度。柱子翼缘也验算它是否会形成机构，即形成机构时的承载力，如果承载力不足,则要设置加劲肋。柱子腹板应验算受拉和受压区的强度，受压区腹板的稳定性,节点区腹板的抗剪强度和节点区在剪力作用下的稳定性。 （五）摇摆柱稳定性计算问题 带中间铰接柱的新型多跨门架结构，在结构设计中出现了一个新问题：带摆柱结
8、构的稳定性计算问题。这一问题的特殊性在于，摆柱承受竖向荷载的能力是由其他柱子提供的。没有其他结构，中间铰接柱会像一个摆一样绕柱脚转动，所以西方学者对它有一个专门的名字：摆柱。 摆柱结构的平面内和平面外稳定计算，要记住的一点:摆柱的稳定性靠它的邻柱提供,因而加重了邻柱的负担，邻柱的计算长度系数要相应增大。增大多少户具体情况应具体分析。陷阱框架，国内有的资料对摆柱给出过大于 1.0 的系数。实际上摆柱本身的稳定计算总是按两端铰接柱考虑计算长度系数取应引起注意。 三、问题建议 （一）门式刚架结构平面布置 门式刚架轻型房屋结构的温度区段长度：纵向温度区段不大于 300米；横向温度区段不大于 150 米
9、。当需要设置横向伸缩缝时，可用两种做法：一种简单但比较昂贵的处理办法是在伸缩缝处采用双刚架，刚架的间距以保证柱脚底板不相碰为依据。以双刚架为界，结构两边各自具有独立的檩条、支撑和维护板系统，其中屋面板和墙面板使用可伸缩的连接件相连。在纵向伸缩缝处需要设置防火墙的情况下，这种处理方法是必须的。另一种方法较为经济，具体办法是：在伸缩缝处只设置一榀刚架，而在伸缩缝处的檩条上，设置椭圆长孔来吸收该点的热位移。 单层门式刚架的跨度，一般情况下以跨度为 21-30 米时比较经济。 刚架的合理间距。刚架的用钢量一般来说随其间距额度增大而减小，但吊车梁，檩条，墙梁的用钢量则随刚架间距的增大而增大。对于无桥式吊
10、车的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以 6-9 米为宜；通常，大跨度刚架宜采用大间距，跨度与间距的比一般以 3.5-5 为宜。对于有 10 吨以上吊车或较大的悬挂荷载的单层门式刚架轻型房屋，刚架间距以 6 米为宜。 （二）梁柱节点的最优化 轻型门式刚架房屋钢结构的梁柱节点通常采用端板相接，端板相接种类分为端板竖放、端板斜放和端板平放三种形式，具体每种放置形式又可细分为外伸和平齐两种设计方法。经过运用力学知识，进行受力分析。计算说明，端板平齐式相接因为连接刚度相对比较小，通常情况下很难满足刚性节点的设计需求，相对而言，端板外伸式节点的受力较合理，且荷载力也较端板平齐式相接高；此外，通过分析计算说明
11、，端板竖放的节点设计内力相对较大，节点相接处的剪力和弯矩也相应较大，从而导致相对应的形变也相对增加，而平放节点的刚度与竖放节点的刚度相差很小，然而设计的轴向压力却大，剪力却较小，这样设计对节点受力有好处，节点处比较牢固，变形也相对微小，就相同梁柱截面的节点处刚度而言，端板斜放式虽然比端板平放和竖放的大，但因为对施工工人的技术要求较高而较少采纳运用，在实际施工过程中，通常多采用端板竖放外伸式和端板平放外伸式节点相接形式，从而达到提升节点的刚度，尽量减少结构发生变形的目的。 （三）最优化截面的选择 门式刚架常常采用实腹式梁和柱、梁柱的截面也随内力变化而变化，往往由其挠度控制截面尺寸，而不是由强度控
12、制，楔形柱的最大截面高度通常取最小截面高度的 23 倍，无吊车轻型钢结构房屋，还要注意柱截面和梁截面的协调，通过调整梁柱截面关系可以达到节省钢材的目的。当变形直接影响刚架截面时，可以通过调整梁连接处截面和刚架柱相接处，从而求出最小的用钢量，在用穷竭法解决截面最优化问题时，多变量因素导致了计算次数与构件数目是呈指数关系比例增加的，当设计工程师确定了结构形式后，通常常用办法，最优化截面是根据构件的内力变化来相应调整截面的尺寸大小，经过多次反复测算最终确定最优化的截面大小。 结语 综上所述，门式刚架结构设计要注意结构形式以及布置问题、节点的设计问题、以及檩条计算和摇摆柱稳定计算问题，只有将该类结构的设计概念充分理解，才能使门式刚架结构设计既符合应用要求，又经济、安全。 参考文献： 1王新刚,崔长中.轻型门式刚架结构设计中几个问题的探讨J.陕西建筑,2010,10:16-18. 2钱文军.门式刚架结构设计中若干问题的探讨J.江苏建筑,2003,04:16-18.
