门式刚架轻型房屋钢结构设计优化分析阐述

时间：2024-11-06

钟敏君

（湖南省轻工纺织设计院有限公司，湖南长沙 410005）

随着社会经济的发展，门式刚架轻钢结构得到了迅猛的发展。它具有工业化程度高、施工周期快、环境污染低等优点，在工业厂房、仓库、体育场馆等建筑中应用十分广泛。但是在门式刚架轻型房屋钢结构应用过程中，很容易因为各种特殊因素的影响，导致整体结构设计较为复杂[1]。

因此，研究分析门式刚架轻型房屋钢结构优化设计具有重要的现实意义。

1 门式刚架轻型房屋钢结构概述

与传统的屋架结构相比，门式刚架结构本身的截面尺寸较小，可以充分利用建筑的内部空间，减少建筑的建筑面积。此外，刚架结构本身的钢度更强，便于运输、制造和安装，同时还具有较高的经济效益，其主要特点体现在以下几个方面：

1.1 施工周期短

所有构件都可以提前在工厂进行预制，然后在建筑施工现场进行拼接安装[2]。再加上门式刚架轻钢结构本身重量较轻，在施工过程中安装较为简便，有效的缩短了建筑的施工周期。

1.2 空间利用率高

相比较传统的钢筋混凝土结构，钢结构本身的截面积较低，可以有效的提高建筑物内部的有效利用面积，且能够满足建筑物大跨度的要求，可以降低建筑物装修的费用支出，再加上钢材本身的价格较低，采用门式刚架轻钢结构具有较高的空间利用率和经济效益[3]。

1.3 便于拆卸，符合环保理念

当建筑物本身需要拆迁时，门式刚架轻钢结构可以快速的拆迁，且钢材本身可以进行回收重复利用，减少了对周围环境的污染，符合当前绿色环保的发展理念。

2 门式刚架轻型房屋钢结构的设计要点

门式刚架轻型房屋钢结构主要是由三部分组成，包括主体承重结构、围护结构以及辅助结构。根据结构形式的不同，门式刚架轻型房屋钢结构可以分为单跨、双跨、多跨等多种结构形式。一般情况下，单跨结构是用于跨度低于24米的房屋建筑，而双跨和多跨结构则适用于跨度高于24米的情况。

2.1 平面布置

对于门式刚架轻型房屋钢结构而言，柱网布置的合理性关系着整个结构的设计质量。首先如果房屋本身的平面面积较大，应重视温度区段的控制，确保纵向的温度区段低于300米，横向的温度区段低于150米。其次对于多跨门式刚架轻型房屋钢结构，为了满足建筑物的功能需求，可能需要减少部分边柱或者中间柱时，可以在设计时，通过临柱的设计，实现托梁。最后在进行屋面檩条布置时，应综合考虑房屋的采光、通风屋脊等因素，对檩条的间距进行合理设计。

2.2 檩条设计

作为整个房屋结构中次要承重结构，檩条是传递屋面荷载到刚架的中间结构。通常情况下，应结合屋面本身的荷载大小以及施工材料的力学性能，对相邻檩条的间距进行确定。如果本身门式刚架轻型房屋钢结构的单跨跨度较小，可以适当降低相邻檩条的间距，反之可以适当增大相邻檩条的间距。

2.3 支撑系统设计

支撑系统可以有效提高门式刚架轻型房屋钢结构的整体性，确保钢结构体系受力均衡，确保整个建筑物的稳定性。尤其是柱间支撑的设计，它不仅可以有效保障钢架本身的纵向刚度和整体稳定性，而且承受了吊车的水平荷载以及风荷载。因此，应将柱顶的水平系杆设计成刚性系杆，从而确保屋盖水平支撑的荷载可以有效的传递到柱间支撑上。

2.4 节点设计

门式刚架轻型房屋的钢结构主要包含柱脚、斜梁与柱、斜梁与斜梁之间的节点设计。

（1）柱脚节点设计：针对一般的门式刚架轻型房屋钢结构，可以采用平板式铰接柱脚，如果结构相对复杂或者有特殊要求时，可以采用刚接的节点形式，从而减少柱顶可能出现的位移，确保整体结构的稳定性和安全性。

（2）斜梁与柱的设计：在进行斜梁与柱接点设计时，为了确保接点本身的刚度，提高弯矩传递的有效性，应采用刚接的方式。

（3）斜梁与斜梁的设计：该处接点可以选择无基础拼接或者梁拼接接点的方式进行连接，前者又可以成为脊节点，有助解决钢结构屋面的坡度变化，而后者可以解决钢结构本身跨度较大时，斜梁的运输问题，常应用于弯矩比较小的斜梁连接区域。

3 门式刚架轻型房屋钢结构优化设计实例分析

某工业厂房建筑项目，采用单层双跨门式轻型钢结构，屋面采用檩条并上铺彩色钢板，厂房外围护墙则采用彩色钢板架设。建筑面积约为7328平方米，设计使用年限为50年。由于本工业厂房本身工艺布置的要求，需要较大的操作空间，因此采用门式刚架轻型房屋钢结构（如图1）设计时，抽去了部分刚架中间的立柱，为了确保整体工程的安全性和稳定性，采用了以下优化设计方案。

3.1 结构布置

作为超静定结构，在对门式刚架结构本身进行内力计算时，结合本工程的结构布置情况以及复杂程度，弹性的进行内力的计算分析。本工程在进行门式刚架轻型钢结构分析时，暂不考虑蒙皮效应的影响，对整个结构进行简化处理，划分为横向的刚架体系以及柱间支撑体系两部分。其中横向水平刚架体系，主要是对竖向恒载和横向水平恒载进行支撑，而支撑体系主要承担的是纵向的水平荷载。

图1 本工程结构示意图

由于为了满足工艺布置的要求，部分刚架没有设置中柱，所以本工程的整体刚架平面模型可以划分为两种，一种是普通的榀刚架，另外一种则是抽柱榀刚架。其中第1轴到7轴以及第20轴为普通的榀刚架，剩余8轴到19轴则为抽柱榀刚架（如图2）。

图2 抽柱门式刚架示意图

为了减少抽柱所导致的安全性和稳定性问题，对8轴到19轴处柱列增设了纵向刚架，代替柱子本身的支撑作用。同时在进行平面模型计算时，将此处的托梁当做具有一定刚度的弹性支座，实现对抽柱榀刚架的支撑，将复杂的空间问题简化成平面问题。

3.2 榀刚架结构设计变形分析

（1）普通榀刚架：通过对普通榀刚架的水平位移和受弯刚架斜梁的挠度验算，本工程刚架的柱顶的位移低于h/60，载加活载作用下的允许挠跨比为1/186，均满足相关规范要求。

（2）抽柱榀刚架：相比较普通榀刚架，抽柱榀刚架对风荷载敏感度更高，且其刚架抽柱处的梁挠度更大，因此必须通过科学的设计和计算，来确保抽柱榀刚架的水平位移和受弯刚架斜梁的挠度满足相关规范要求。通过对本工程抽柱榀刚架的分析检查，相关结构设计均未超过相关规范要求，抽柱榀刚架结构设计符合工程要求。

3.3 支撑设计

在支撑系统设计时，应确保当风荷载作用到房屋上时，抗风柱可以有效的将力传递给屋面支撑，水平荷载的作用力传导，则是由屋面支撑传递到柱间支撑，最后传递给地基基础，同时屋面支撑也承担了纵向地震力的力学传递。通过有效的设计，明确各结构的传力途径，有助于提高整体结构的刚度，避免出现压杆侧向失稳问题。

（1）屋面水平支撑设计：由于本工程存在部分抽柱情况，导致抽柱区域的抗侧刚度不足，一旦水平荷载较大，可能导致整体结构出现位移问题，严重影响房屋本身的稳定性。因此在进行屋面水平支撑设计时，为了确保屋盖本身的刚性，增设了纵向支撑来实现水平荷载的有效分配，增强各刚架之间的约束力，提高房屋钢结构的整体稳定性。根据计算，选用了25的圆钢作为屋面水平支撑的材料。

（2）柱间支撑设计：柱间支撑的作用在于提高整体结构的纵向刚度，从而有效抵抗风荷载和地震荷载的作用力。本工程为了避免因为抽柱导致的抗侧刚度减弱，在托梁的两端增设了柱间支撑（如图3），来平衡结构的纵向刚度，避免位移出现导致整体结构失稳。同时采用十字交叉性柱间支撑设计，来提高柱间支撑的稳定性。

图3 屋面梁与托梁连接节点示意图