浙江绍兴泱泱钢结构有限公司—门式刚钢结构设计探讨
更新时间: 2023-03-22
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一、引言
近年来，门式刚架轻型房屋
钢结构在我国广泛应用于厂房、仓库、商场、体育馆等大跨度建筑中，尤其在98年《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：98）的颁布，使门式刚架轻型房屋钢结构**近几年取得突飞猛进的发展，据保守估计，这种房屋已从1998年的年建造量100多万平方米发展到2001年的400多万平方米。近两年更有大幅度增加，在此期间，钢结构企业已从不到100家发展到仅会员单位就有700多家。除少数大型企业外，大部分钢结构公司的主要产品是门式刚架轻型钢结构，这样使这一领域的市场竞争日趋激烈，各个公司的设计水平也参差不齐。本文结合多年的设计体会对轻钢结构设计作一些探讨，以对初入此行的设计人员提供一些参考。
二、结构布置及选型
2．1体系的布置
门式刚架作为平面结构，需要与次结构（檩条、墙梁等）和支撑体系联成空间整体结构，承受竖向荷载和水平荷载。因此，次结构与刚架的可靠连接以及支撑体系的合理设置在结构设计中就显得尤为重要。
支撑体系包括屋面横向支撑、柱间支撑和刚性系杆，主要作用是：与刚架共同组成空间作用，传递纵向水平力，减小刚架构件在平面外的计算长度，保证施工阶段的稳定。
2．2门式刚架的经济柱距
主刚架的用钢量一般来说，随其柱距的增大而减小，但吊车梁、檩条、墙梁、刚性系杆等的用钢量则随柱距的增大而增大。
对于单层门式刚架来说，柱距以4.5m~9m为宜，大距度刚架宜采用大柱距，跨度与间距的比值一般以3~4为宜。
2．3刚架形式
门式刚架主要分为单坡、单脊双坡、多脊多坡等三种形式。
对于多跨刚架、多脊多坡与单脊双坡的刚架用钢量大致相等，前者略大，但多脊多坡增加了内天沟，且内天沟易产生渗漏，尤其在北方地区易产生堆雪，在多次冻融之后，渗漏更为严重。因此，尽量避免采用。
屋面的坡度以能够顺畅排水为原则，一般为1/8~1/30。
三、结构设计
3．1 设计理论
由于门式刚架大多数为变截面，宜采用弹性设计方法，弹性设计方法就是根据内力图形的变化，采用变截面构件，使材料分布更接近内力图，尽可能达到沿构件长度满应力设计，同时利用腹板的屈后强度，腹板做得高而薄，使焊接H型钢的翼缘尽量远离截面形心，在相同截面面积的条件下，加大截面惯性矩和截面模量，提高承载力，减少用钢量。
由以上可知，在设计荷载一定的前提下，并且在保证安全的同时，刚架要设计得经济合理的基本方法就是沿构件长度尽可能实现满应力设计，充分发挥材料作用。
3．2荷载的取值
合理的荷载取值是影响结构安全及用钢指标的重要因素，一般采用压型钢板屋面的门式刚架，屋面恒载一般取0.2KN/m2~0.3KN/m2为宜（不含刚架自重）。如有悬挂宜以实际情况并按恒载考虑，由于部分设计人员对轻钢结构特点不了解，将恒载考虑为0.15KN/m2以下，造成结构安全度不足，也有将恒载考虑为0.5KN/m2以上，造成轻钢不轻状况。
活荷及风、雪宜按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）采用。这里需特别强调以下几点：
1）屋面活载：新规程由0.3KN/m2提高到0.5KN/m2，但又增加了附注：即对于受荷水平投影面积大于60m2的构件可取0.3KN/m2。由于刚架斜梁在大多数情况下均符合此条件。因此对刚架用钢量并无实际影响，仅对屋面板及檩条有影响，屋面活荷载大于刚架活载荷也是合理的，因为局部荷载集度总大于整体平均的荷载集度。
2）风荷载：根据CECS102：2002规定的风荷载体型系数，若采用这些系数，必须符合以下三个条件：
A．屋面平均高度不大于18米。
B．檐口高度不大于房屋的**小水平尺寸。
以上两点是低矮房屋的定义所要求,风洞实验均在此条件下进行.
C．基本风压应按《建筑结构荷载规范》（G**009-2001）的规定值乘以1.05的调整系数。
D．屋面坡度不大于10°。
3）吊车：根据CECS102：2002规定的适用范围：吊车起重量不大于20吨的A1~A5工作级别桥式吊车。因此一般6~8m柱距时可不设制动结构，可达到较为理想的用钢及较为方便的结构制作、安装。
4）抗震：7°及7°以下地区均不需作抗震验算，但8°以上及局部有多于1层且与门式刚架相连附属房屋时，均需作抗震验算。
3．3使用环境
门式刚架结构不适用于有强烈侵蚀性介质的环境，由于构件较薄，用于此种环境中不合适的。
3．4软件的选择
设计软件一般应采用经过国家鉴定的软件，目前市场上北京建研院的STS、大连阿依艾公司的SSDD、同济大学的3D3S均是较为成熟的。
四、节点连接的设计
3．1摩擦面问题：由于门式
刚架房屋的屋面自重很轻，端板连接承受的剪力一般很小，在很多情况下连接的摩擦面不处理也能承受此剪力。因此新规程规定，门式刚架构件间的连接应采用高强度螺栓摩擦型或承压型连接，但当端板连接只受轴力和弯矩时，或剪力小于实际抗滑移承载力（此时抗滑移系数为0.3）时，表面可不作专门处理，抗滑移系数0.3是考虑表面涂刷防锈油漆或不作任何处理时的不利情况。
3．2端板厚度：**小限值为16mm，应根据计算确定，但根据相关资料及设计经验一般不宜小于连接高强螺栓的直径。
3．3斜梁连接处应采用将端板两端伸出截面范围以外的外伸式连接，因外伸式连接对于保证端板的刚性连接是必要的。
3．4单面焊：腹板厚度不大于8mm的构件，经工艺评定合格后可采用单面焊，限制条件为：承受静力荷载和间接动荷载，非露天和强度腐蚀性介质的构件，但柱与底板的连接，柱与牛腿的连接，梁端板的连接，吊车梁及支承局部悬挂荷载的吊夹等不得采用单面焊。
