1、试述单层门式钢架结构工业厂房结构设计摘要：随着我国经济建设的不断发展，为满足生产的需要，门式钢架结构在单层工业厂房中得以广泛应用。因门式钢架结构具有适用范围广，成本低，质量轻等特点，越来越受到厂房建设者的青睐。 关键词：单层门式钢架结构；工业厂房；结构设计 中图分类号： TU318 文献标识码： A 因门式钢架结构具有适用范围广，成本低，质量轻等特点，在在单层工业厂房中得以广泛应用。要加强对该类结构的研究分析，充分运用到实践中，从而创造更大的经济效益。本文通过对实践研究，对单层门式钢架结构工业厂房结构设计作出了具体的分析。 1 单层轻型门式刚架结构设计 ( 1) 一般来说，门式刚架结构构件强度
2、较弱、弯折性较小，整个结构刚性较低，因此要针对其上述特点做好运输和安装过程中的防护措施，以保证构件不受外力影响发生形变。 ( 2) 要做好支撑结构整体布局和规划，做好墙体、屋顶与面板之间的对接处理，提高整体结构的稳定性。 ( 3) 结构组成部件大多为薄壁轻质材料，要针对其物理特性做好安装和运输过程中的防护工作。 ( 4) 由于构件为钢材材质，因此要考虑钢材生锈导致结构构件受力下降的问题。 ( 5) 门式刚架的梁柱多采用变截面杆件，梁柱腹板在设计时考虑利用屈曲后的强度，所以塑性设计不再适用。 ( 6) 设计中要合理处理轻型化可能导致的一些问题，例如大风力可能导致屋面荷载过大的问题等。 2 结构布
3、置 2. 1 刚架的建筑尺寸和布置 门式刚架跨度控制在 10 35 m 内为宜，如果柱宽度不均等，要向外侧对齐。其高度要视室内高度来合理调整，一般不高于 9 m、不低于 4. 5 m。门式刚架之间的距离也要根据钢架跨度、负荷大小来合理确定，通常有三种距离可选择： 即 6 m、7. 5 m、9 m。纵向温度区段小于 300 m，横向温度区段小于 150 m( 如果有其他特殊要求时，可适当调整大小) 。 2. 2 檩条和墙梁的布置 檩条间距大小要综合考虑多种因素，例如天窗大小和个数、屋脊长度、采光度要求、檩条长度和刚度等，没有特殊要求的情况，通常采用等间距布局，在屋脊处两侧均匀布置一道，在天沟处布
4、置一道。侧墙墙梁的设计要根据窗户、门和雨搭的设计要求来综合权衡，确保整体功能达到设计要求。 2. 3 支撑和刚性系杆的布置 ( 1) 在每个温度区段内都要保证其具有独立的空间稳定性结构。 ( 2) 在进行柱间支撑开间设计时，要对屋盖做横向支撑结构设计，以提高整个结构的几何稳定性。 ( 3) 端部支撑一般设置在温度区段端部的第一二个开间位置。柱间支撑之间的距离要根据房屋纵向受力分布情况来确定，通常控制在 30 45 m 范围内，如果配置了吊车，可以最大至 60 m。 ( 4) 如果房屋高度较高时，要采用分层结构的柱间支撑体系； 如果房屋宽度超过 50 m，内部要采用支撑结构。 ( 5) 当端部支
5、撑设在端部第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。 ( 6) 在刚架的转折处，要根据房屋的长度来设置刚性系杆，以保证房屋结构稳定性。 ( 7) 由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。 ( 8) 刚性系杆也可以采用檩条材料替代，此时要保证檩条具有良好的受力和刚度性能，如果檩条达不到这方面的性能标准，可以考虑在刚架斜梁间加装 H 型钢或者钢柱来提高其的工作强度。 ( 9) 如果屋内设置了重量超过 5 t 的吊车，要采用型钢材料的柱间支撑设计； 如果不能使用柱间支撑，则可考虑用纵向刚架来替代。 3 刚架设计 3. 1 荷载及荷载组合 3. 1. 1 永久荷载 永久荷载是指
6、结构自重和施加在结构上的各种外力之和，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自重等。 3. 1. 2 可变荷载 可变荷载包括屋面活荷载( 在设计屋面板和檩条时，要定期检查其负荷能力变化，其标准值为 1 kN) 、屋面结构受力和积尘受力、吊车自重、风力影响等。 3. 1. 3 荷载组合 荷载组合要严格按照建筑结构荷载设计规范GB500092012 中有关规定来配置，对门式刚架的设计，则可参考门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS1022002 中的有关规定来设计： ( 1) 屋面均匀荷载与雪荷载不能累加计算，而是取其中最大值。 ( 2) 积灰荷载一般低于雪荷载和屋面均布活荷载，因此不需要对其进
7、行额外考虑。 ( 3) 在施工或检修集中荷载时，不将房屋构件自重产生的荷载考虑在内。 ( 4) 多台吊车的组合应符合建筑结构荷载设计规范中的规定。 ( 5) 当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。 3. 2 刚架内力和侧移计算 3. 2. 1 内力计算 变截面门式刚架的内力计算可采用弹性分析方法来实现，塑性分析方法的使用具有严格的限制条件，那就是要求钢架梁柱都为等截面时才可使用。具体计算方法主要采用杆系单元的有限元法或者称直接刚度法，结合计算机软件来实现。针对地震造成的外力负荷大小，可以采用底部剪力法来计算。通过计算出各种负荷组合的内力数据后，再确定截面的内力大小，一般而言，控制截
8、面 的位置大多分布在柱底、柱顶、柱牛腿连接处等处。控制截面的内力组合主要有： ( 1) 最大轴压力 Nmax 和同时出现的 M 及 V 的较大值。 ( 2) 最大弯矩 Mmax 和同时出现的 N 及 V 的较大值。 ( 3) 最小轴压力 Nmin 和相应的 M 及 V，出现在永久荷载和风荷载共同作用下，当柱脚铰接时 M =0。 3. 2. 2 侧移计算 通常采用弹性分析方法来确定变截面门式刚架的柱顶侧移数据，取多次计算平均结果作为标准值。如果最后得到的侧移刚度数据不达标时，可采用以下方法进行适当修正： 例如适当扩大截面面积，采用刚接柱脚替代铰柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。 3
9、. 3 刚架结构中的柱和梁设计 ( 1) 梁柱板件的厚宽比例大小和腹板最大弯曲形变利用率。 ( 2) 测算刚架梁柱构件的最大强度极限值。 ( 3) 梁腹板支撑体系的设计。( 梁腹板安装位置要选在两柱之间位置，在翼缘转折处增加横向受力支撑) 。 ( 4) 测算变截面柱在结构内的长度上限值。 ( 5) 测试变截面柱在结构内的物理稳定性。 ( 6) 变截面柱对整个钢架结构的稳定性影响评估。 ( 7) 斜梁和隅撑的受力大小和负荷强度测算。 ( 8) 节点设计。 4 附属结构构件设计 4. 1 压型钢板设计 ( 1) 要结合建筑用途、功能和使用寿命来确定压型钢板材料型号和规格，在工程实践中，多采用 Q2
10、35 B 钢。 ( 2) 压型钢板具有多种截面种类选择，根据波高大小将波板分为三类： 低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的刚度越大，其负荷能力也就更大。 ( 3) 压型钢板的强度和挠度计算方法是，选取单槽口的有效截面按受弯构件来综合计算。主要计算对象包含以下几方面内容： 压型钢板腹板应力大小、支座处腹板局部突变负荷大小、挠度上下限值测量等。 ( 4) 压型钢板规格和参数指标还要满足其他特殊设计要求。 4. 2 檩条设计 ( 1) 檩条的截面设计有两种选择： 实腹式和格构式。如果檩条跨度小于 8 m，一般采用 实腹式檩条为宜。 ( 2) 檩条采用双向受弯结构设计，对其进行受力分析时，要以两个
11、轴心为中心来开展截面弯矩受力计算。 ( 3) 檩条安装之前要经过刚度检测、稳定性检测和形变大小检测，检测合格后方可安装使用。 ( 4) 檩条还要达到其他使用标准规定。 总结 单层轻型门式刚架由于其工业化程度较高、质量较轻等优势，因此在各领域中广泛应用，在在钢架结构厂房的施工中，需要做好安装前的结构设计工作，在具体设计过程中，应该根据各个项目的具体特点进行建筑结构设计，使设计安全可靠，经济合理且美观大方的同时，保证结构设计的质量达到一个最优值，使厂房的结构设计得到优化。 参考文献 1 李天，张哲，刘朝宏 . 门式刚架轻钢结构平面内整体稳定分析中的几个问题 J. 郑州大学学报 ( 工学版 )，2003，24(1):119-120 2 温林玲 . 单层工业厂房中双跨排架结构设计问题 以百乐水电站厂房上部结构设计为例 J. 企业科技与发展，2009，2(2):139-140 3 张和平，程海琴，罗成年 . 论门式刚架截面优化设计在我国的发展J. 华东交通大学学报，2002，6(2):598-599
