门式刚架轻型房屋钢结构的合理设计方案

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1、门式刚架轻型房屋钢结构的合理设计 锦州城乡建筑设计有限责任公司 史磊 摘要本文就门式刚架轻型房屋钢结构设计，着重从选材、结构布 置、檩条设计、刚架设计等方面探讨其经济性、合理性。 关键此门式刚架轻型房屋 经济 合理0、 前言在 90 年代前，我国房屋钢结构主要是应用于重型厂房， 90 年代 初，轻型门式刚架开始得到应用。门式刚架轻型房屋钢结构体系由 主刚架体系、檩条和支撑体系、维护体系三大体系构成。其中维护 体系采用压型钢板作为面板带来了两大主要特点：错误!结构自重轻 错误!蒙皮效应强。充分利用这两大特点，在保证安全可靠的前提 下，可以在结构造型 变截面）、支撑体系、刚度设计 侧移限 制）、稳

2、定设计利用隅撑）、局部稳定按剪力大下设加劲肋，利 用屈曲后强度）、蒙皮效应利用、简单的端板式连接等方面采用了 先进的模式与技术，从而降低了造价，比传统钢结构更为经济合 理。1、选材1.1主刚架选用Q235B、Q345A及以上等级的钢材。吊车梁：行车吨位W5t的轻级工作制吊车梁宜选用Q235B、Q235A等级的钢材；行车吨位较大或$101中级工作制吊车梁宜选用 Q345B 及以上等级的钢材。1.2檩条：简支、小跨度的檩条宜选用 Q235A 等级的钢材；连续或大跨度的 檩条宜选用 345A 等级的钢材。一般情况下，当由强度控制设计时宜 用 Q345A 级钢材，充分利用其屈曲强度高的优势。当由刚度控

3、制设 计时宜用 Q235A 级钢材，在同等用钢量的情况下利用其价格优势。 当由稳定控制设计时，可根据具体情况选择 Q345A 或 Q235A 级钢 材。1.3 支撑屋面及柱间支撑一般采用张紧的圆钢，有较大吨位行车时柱间支撑用角钢，隅撑一般采用角钢这类型钢根据市场情况采用Q235钢。1.4 压型钢板：基材：钢板基材在根本上决定彩涂钢板的承力性能和压型加工性 能，因此在选用基材等级或牌号时，主要考虑其力学性能、化学成 分及其冷弯性能。一般情况下，钢板基材宜选用 Q235 或性能与其相 近的牌号；若为暗扣式压型钢板，则宜选用 Q345 或性能与其相近的 牌号。镀层：镀层在钢板防腐性能方面起主要作用。

4、各种彩板镀层分别 为：a.热镀锌钢板的镀层厚度双面和最小应不小于180g/m2, 般 外层板采用180g/m2275g/m2，内层板可采用180g/m2； b.热镀锌合 金化钢板的镀层厚度双面和一般取为 180g/m2； c. 热镀 5%铝锌钢板 Galfan ）的镀层厚度双面和一般取为 180g/m2275g/m2 ； d.热镀 55%铝锌钢板Galvalume ）的镀层厚度双面和一般取用150g/m2。在 相同镀层厚度下，各镀层钢板的防腐性能按弱到强的排列顺序是热镀锌钢板一热镀锌合金化钢板一热镀5%铝锌钢板一热镀55%铝锌钢 板。涂层：涂层或称面漆）主要是有机碳）化合物，主要作用是出 于美

5、观以及外加保护层的需要，因此其耐候性与防粉尘附着性是选 择涂层时要考虑的主要因素。常用的涂层耐候性由弱到强的顺序是 聚酯树脂810 年）一改性聚酯树脂 815 年）一聚二乙烯氟树脂 220 年）。2、结构布置2.1 合理柱距门式刚架的合理柱距69m，有行车时柱距宜小不宜大。特别是 对于行车吨位2101时，柱距宜W7.5m，不带行车的门式刚架柱距 宜取7.5m9m，且单跨越大选用柱距也应最大，此时不仅用钢量较 为经济而且能满足工艺上大柱网的要求。2.2 端框架与山墙墙架端框架即山墙采用门式刚架，适用于以下几种情况：2.2.1 建筑规划有续建要求；2.2.2 有抗震要求；2.2.3 有行车要求；2

6、.2.4 工程地点为近海或风载较大的地区；2.2.5 檐高较高约超过 9m）；几种情况外可考虑采用由斜梁、抗风柱和墙梁组成的山墙墙 架。结合考虑山墙面的蒙皮效应，可以用冷弯薄壁型钢做成 轻型的铰接体系墙架。2.3 支撑体系门式刚架结构体系属平面结构体系。在横向 即跨度方向）为平 面主刚架，可以承担竖向荷载和横向荷载。在纵向是靠支撑来承担 纵向水平力，使整体刚架构成具有空间刚度的建筑。支撑系统一般 用钢量为0.51.5 Kg/m2，只占整个结构用钢量很少一部分，但其 作用却很重要，设计时一定要加以重视。支撑利用圆钢时一般要求 3040m 设置一道最大不宜超过 60m。 柱间支撑的位置宜与屋面支撑

7、所在柱间相同，以便两榀刚架直接构 成一个稳定的空间体系，可使房屋纵向风荷载传至基础的路线更直 接，同时也使框架按有无支撑孔及连接板分类容易，方便了制作及 安装。跨度较大或风荷载较大时，支撑体系宜多设几道，此部分的 用钢量很小，但对整个结构非常有利。另外，多跨度结构中的中柱 宜设柱间支撑，分担部分传至基础的纵向水平荷载，使屋面支撑构 成的桁架体系具有中间支座效果，大大降低了支撑杆件的内力。支撑的传统计算模式是不管整个建筑有多少道支撑，均按迎风面 的第一道支撑体系承担全部的迎风面风荷载。虽简化了计算过程且 回避了支撑间纵向系杆的计算，但是这种算法显然过于保守。按文 献2的风荷载及支撑系统传力模式，

8、侧纵向系杆必然传力，因此门 式刚架轻型房屋不宜按传统的简化计算模式来计算支撑系统内力。 第二种简化计算方法是将两端山墙风荷载迭加在一起，除以支撑道 数即得到每榀屋面桁架式水平支撑和柱间支撑所受的荷载。按文献 3中对此种方法的精确计算分析，对于斜拉杆计算为精确值，对于 直压杆计算内力值过于偏小，支撑道数越多，误差越大。建议此时 应根据精确计算找出直压杆的内力进行设计，以保证整个支撑体系 的安全，且又经济合理。在轻钢结构支撑设计中，通常交叉杆件采用张紧的圆钢，圆钢直 径不宜超过30mm，以为大于30mm之后预拉力过大，此时应考虑采 用角钢支撑。传统钢结构中，屋面体系中通长的纵向系杆采用专门的圆钢或

9、双 角钢类，用钢量大。在轻钢结构中可充分利用檩条兼作纵向系杆和 屋面水平支撑中的直压杆。如受力较大可考虑用双檩条组成。此种 做法与过去传统设计相比，可大大节省用钢量。3、檩条设计3.1 檩条和墙梁主要选用 Z 型或 C 型冷弯薄壁型钢，一般情况下除 兼作窗框门框因建筑需要采用 C 型墙梁外，其余情况宜优先考虑采 用 Z 型构件，将此两种形式构件作比较可得出如下结论：3.1.1 C 型构件的剪力与形心有偏心，而 Z 型构件的剪心与形心 重合如图a示），因此在重力荷载作用下Z型构件的倾覆力矩要大 于 C 型构件；3.1.2 Z型构件易于搭接构成连续檩条型式；3.1.3 C型构件外形宜于作有窗设置的

10、墙面檩条，此时C型墙梁兼 作窗框。檩条承受双向弯矩和扭矩作用，受力较为复杂，同时考虑到便于运 输和安装，冷弯薄壁 C 型钢与 Z 型钢檩条截面的高度不宜大于 300mm。3.2 拉条3.2.1 拉条作用3.2.1.1 作为檩条侧向支撑点，增加檩条的整体稳定性；3.2.1.2 有利于减少檩条在平行于屋面坡度的跨度，降低檩条侧向 弯矩。3.2.2 拉条布置及做法檩条跨度大于 4m 时，应在檩条间跨中位置设置拉条。檩条跨度大于 6m 时，应在檩条跨度三分点处各设一道拉条。在屋 脊处可利用两边对称重力平衡不设斜拉条。屋面不对称或有 天窗时，在屋脊处或天窗侧应设置斜拉条和撑杆；在檐口应 设斜拉条以抵抗风

11、吸力作用下的反向弯矩。拉条可采用圆钢或冷弯薄壁角型钢、槽型钢。采用圆钢作拉条时， 圆钢直径宜不小于（p10，以使檩条上的开孔孔径与支座处孔径一 致。3.3 连续檩条设计将檩条设计成Z型嵌套式搭接图b）构成连续梁模式，比简支 梁檩条刚度大挠度小），内力小，可大大节省用钢量。因此连续檩 条适用于屋面荷载较大、跨度较大的情况。为了便于嵌套搭接设计 上下翼缘不等宽，为使嵌套搭接具有连续梁效果，其搭接区长度不 宜小于跨度的 10%。根据文献 7，由于嵌套搭接存在有较大的间 隙，在支座处约有 10%的弯矩释放，此释放量将加到在跨中去。魂5孔5;L口14S!(耳F?cF13F0 1 1 0=tm丄1111

12、3.4 多跨静定檩条设计实腹式多跨静定檩条宜采用高频 H 型钢，适用于柱距大或屋面荷 载很大的情况。多跨静定檩条的静力铰设置位置宜使支座弯矩与跨 中弯矩大致相等，通常可设在与支座的距离为邻跨跨度的1/6 处图 C）。 同时需考虑铰节点处抗扭措施，可采用设拉条等方式。3.5 檩条的稳定性设计檩条的稳定性应考虑围护板的布置和固定方式并通过构造方法类 解决。如屋面板为双层且与檩条上、下翼缘均有可靠连接时，稳定 可不计算，仅计算强度。如屋面板为单层且与檩条上翼缘有可靠连 接时，宜在靠檩条下翼缘处设单排圆钢拉条，保证下翼缘受压时不 失稳。如屋面板为单层且为咬合或暗扣式板，宜在靠檩条上、下翼 缘处设双排圆

13、钢拉条或采用 C 型截面拉条，以保证上翼缘或下翼缘 受压时不失稳。4、刚架设计4.1 刚架选型：4.1.1 单脊双坡与多脊多坡多跨刚架采用单脊双坡屋顶有利于屋面排水，且天沟仅设两 道，做法较简便，如不设女儿墙还可采用外挂天沟可有效防止屋内 漏水，因此在多雨地区宜采用此种建筑方案。在跨度大且设置女儿 墙时宜采用多脊多坡结构形式，可减少建筑高度，也可减小钢梁挠 度引起的屋面凹坑效应，防止屋面积水；同时女儿墙高度比单脊双 坡结构女儿墙高度小，风载较大时此结构型是比单脊双坡结构合 理。但多脊多坡结构形式将增加檩条、内天沟和室内排水沟的费 用，且天沟容易产生渗漏和堆雪现象。以上两种结构形式在跨度想同时，

14、刚架用钢量相差不大。4.2 构件形式：4.2.1 柱：柱脚铰接时宜采用楔形柱，其高度变化根据门式刚架弯矩分布 图，可达到充分利用材料的目的，进一步还可以利用屈曲后的强 度，使构件的高厚比大于传统的钢结构构件。柱脚刚接时宜采用等 截面柱，制作简便。4.2.2 梁：双楔形梁比两端加腋梁易于流水线生产，但截面变化与梁的应力 变化符合程度不及两端加腋梁，因此用钢量比两端加腋梁耀稍高。 设计时宜根据门式刚架弯矩分布图采用两端加腋梁。图 d)4.3构件截面尺寸:4.3.1满应力设计:刚架采用变截面构件，其截面变化根据主要弯曲应力oM与轴压 应力oN两者的计算值“组合”的应力图形变化。利用截面变化， 使各截

15、面“组合应力”与材料设计强度的比值尽可能接近，也就是4.3.2初定截面尺寸:梁、柱采用H型截面，其高宽比h/b）约为26，此值随选用的 截面增高而逐渐增大。楔形柱小头截面的高度不应小于200mm，大 头截面高度约为跨度的 1/301/40。等截面柱截面的高度约为柱高 的 1/181/25。两端加腋梁等截面部分的截面高度约为跨度的 1/501/60，与边柱连接的加腋高度约为跨度的 1/30，与中柱连接 的加腋高度约为跨度的 1/251/30。4.4 摇摆柱设计摇摆柱应根据其两端连接构造的实际情况，进行合理设计。如使用 的计算软件不能考虑摇摆柱两端因弹性嵌固而产生的弯矩和剪力， 在具体设计中需要设计人员通过概念设计来考虑。例如控制应力水 平，是一种较为简单的解决办法。为节省用钢量，多跨结构的中柱 宜采用摇摆柱，但中柱设为摇摆柱时，需依靠边柱对其提供柱顶的 侧向约束，从而加重了边柱的负担，使边柱平面内计算长度增大。 尤其檐高较高的多跨结构的中柱宜部分采用摇摆柱，其余中柱柱顶 与钢梁刚接连接，中柱为摇摆柱时不宜连续超过3 根。4.4 构件稳定设计：4.5.1 构件的整体稳定设计 构件侧向无约束自由长度越长，稳定性越差，则所要求构件的翼缘 宽度也应越宽。门