輕型門式剛架結構的特點及設計要點

趙 研,龔桂林

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院，四川成都610021)

門式剛架結構，是目前輕型鋼結構中使用最廣泛的結構形式之一，因節(jié)點剛接、形狀似門而得名。門式剛架可以分

為單跨、雙跨或多跨的單、雙坡剛架，以及帶挑檐或毗屋的剛架等形式，如圖1所示[1-3]。

(a)單跨單坡

(b)單跨雙坡

(c)單跨雙坡帶挑檐

(d)雙跨雙坡

(e)雙跨四坡

門式剛架結構具有用鋼量省、結構布置靈活、施工速度快、受力性能良好等優(yōu)點，因而被廣泛應用在輕型工業(yè)廠房、體育館、展覽廳、車站、倉庫等工業(yè)與民用建筑中。然而，門式剛架結構在我國大量運用的時間還不是很長，部分設計人員仍會習慣性地按照普通鋼結構的設計思路對其進行設計，因而在設計中存在一些不合理的地方，輕則浪費材料、降低經(jīng)濟效益，重則影響結構的安全性。本文從輕型門式剛架結構的特點出發(fā)，分析設計中容易出現(xiàn)的問題，供同行參考。

1 輕型門式剛架結構的特點

1.1 質量輕

輕型門式剛架結構的圍護結構一般都采用輕型材料，屋檁和墻檁一般采用冷彎C形鋼或Z形鋼，屋面板和墻面板多采用壓型金屬板，因而結構自重較輕。即使是在工業(yè)廠房中，因為《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(2012年版)》(CECS 102：2002)[4]中規(guī)定輕型門式剛架結構中僅可設置起重量不大于20 t的A1-A5工作級別的橋式吊車或3 t的懸掛式起重機，結構所承受的總荷載相對也較小。根據(jù)國內(nèi)工程實例統(tǒng)計，單層輕型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10～30 kg/m2，自重約為同等條件下鋼筋混凝土結構的1/20～1/30。由于荷載較小，基礎所用材料也較少，地基處理難度相應降低，結構地震反應也較小。

1.2 工業(yè)化程度高，施工周期短

輕型門式剛架結構的主要構件和配件均為工廠制作，質量更能夠保證。將構件運到施工現(xiàn)場后，構件間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速。

1.3 結構布置靈活，不受模數(shù)限制

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構由于受屋面板等尺寸限制，柱距多為6 m，當采用12 m或其他柱距時，需設置托架等，較為麻煩。而輕型門式剛架結構的維護體系采用壓型金屬板，故柱網(wǎng)布置靈活，一般僅需考慮使用要求和用鋼量。

1.4 綜合經(jīng)濟效益高

輕型門式剛架結構設計周期短，原材料種類單一，構件采用自動化設備成批量生產(chǎn)，單位價格相對較低。且門式剛架結構施工周期短，資金周轉率高，發(fā)揮投資效益快。

2 輕型門式剛架結構設計中需注意的問題

由于輕鋼結構自身的特點與普通鋼結構有較大區(qū)別，設計中應采取一些有針對性的措施，以保證結構的受力性能。已有許多專家、學者和工程技術人員對此問題進行過分析研究[5-8]，因此，本文僅對一些設計中常出現(xiàn)的問題進行總結。

2.1 應合理設置支撐體系

單榀門式剛架在剛架平面內(nèi)剛度較大，能有效抵抗水平荷載，但是在剛架平面內(nèi)剛度則較差，需通過設置支撐來保證縱向水平荷載的傳遞。支撐設置時需注意將屋面橫向水平支撐和柱間支撐布置在同一跨間，以構成穩(wěn)定的空間結構體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又便于結構的施工和安裝。在房屋的各溫度區(qū)段內(nèi)，均需設置能獨立構成空間穩(wěn)定結構的支撐體系。屋面橫向水平支撐一般布置在溫度區(qū)段端部第一開間，也可以布置在第二開間，但此時需在第一開間相應于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置布置剛性系桿。屋面橫向水平支撐的豎腹桿需按剛性壓桿設計，才能組成幾何不變體系。屋面橫向水平支撐的節(jié)點應與抗風柱布置相協(xié)調(diào)，將節(jié)點布置在抗風柱處，以直接傳遞抗風柱柱頂反力，避免剛架斜梁受扭。在剛架轉折處，如邊柱柱頂、屋脊處、多跨房屋中間柱柱頂?shù)任恢?，需沿房屋縱向全長設置剛性系桿，既可承受和傳遞縱向水平荷載，還能在安裝過程中增加剛架的側向剛度，保證結構安全。支撐的常見布置見圖2。

圖2 支撐布置

2.2 柱腳抗剪鍵的設置

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》第7.2.20條規(guī)定，柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的剪力，此水平剪力可由底板與混凝土基礎間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0.4)或設置抗剪鍵承受。不管是鉸接柱腳還是剛接柱腳，柱底均有剪力。輕型門式剛架結構自重較輕，荷載較小，底板和基礎間能產(chǎn)生的摩擦力有限，因此，應復核柱腳底部的水平剪力是

否可由柱腳底板與混凝土基礎間的摩擦力承受。剪力較大時，應設置柱腳抗剪鍵，否則剪力實際上將由錨栓承受，不符合規(guī)范的規(guī)定。

2.3 注意風吸力的影響

輕型門式剛架結構由于采用了輕型屋面材料，自重較輕，當屋面坡度在一定范圍時，風荷載的作用方向會向上，即為風吸力。在普通鋼結構中，風吸力會抵消部分重力荷載，起有利作用，因而不考慮。但對于輕型門式剛架結構來說，風吸力的大小可能超過屋面結構自重，疊加后產(chǎn)生向上作用的荷載，使結構構件中產(chǎn)生反向內(nèi)力，如不考慮風吸力，可能導致結構不安全。

2.4 不得隨意改變結構材料和體系

部分設計人員在設計門式剛架結構時，根據(jù)業(yè)主要求或其他考慮，將剛架柱改為鋼筋混凝土柱，剛架斜梁仍為鋼梁，仍按照門式剛架結構體系進行設計，這樣做可能會產(chǎn)生工程事故。因為門式剛架結構中剛架斜梁與剛架柱必須做成剛接，而鋼結構斜梁與鋼筋混凝土柱較難實現(xiàn)剛接，做出來更接近與排架結構，與剛架結構是完全不同的兩種結構體系，這樣設計出來的結構可能會嚴重不安全。

2.5 合理選擇柱腳構造

門式剛架結構柱腳分為剛接柱腳和鉸接柱腳兩種，一般情況下應優(yōu)先選擇鉸接柱腳。同時剛架柱采用楔形截面，可以有效降低結構用鋼量，也可以減小基礎設計難度，降低造價。但在設置了橋式吊車或有較大水平荷載作用時，則應采用剛接柱腳和等截面柱，可以提高結構的抗側移剛度。

3 結束語

近年來，門式剛架結構在我國得到了飛速發(fā)展，給鋼結構注入了新的活力。對廣大從事輕型門式剛架結構設計的技術人員來說，除了要掌握專業(yè)知識外，還必須深入理解輕型門式剛架結構的特點，弄清其與普通鋼結構的不同，理解和正確運用設計規(guī)范，設計出安全適用、經(jīng)濟合理的結構。

[1] 劉聲揚，王汝恒. 鋼結構——原理與設計[M].2版. 武漢：武漢理工大學出版社，2010

[2] 黃呈偉. 鋼結構設計[M]. 北京：科學出版社，2005

[3] 戴國欣. 鋼結構[M].4版. 武漢：武漢理工大學出版社，2012

[4] CECS 102：2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(2012年版)[S]

[5] 侯偉. 門式剛架設計與施工中應注意的問題[J]. 山西建筑，2013，39(3)

[6] 王躍磊. 談門式剛架輕鋼結構設計中的若干問題[J]. 山西建筑，2014，40(2)

[7] 陳紹蕃. 輕型門式剛架梁柱連接如何設計成剛性節(jié)點[J]. 鋼結構，2012,27(4)

[8] 林楊. 淺談輕型門式剛架結構設計[J]. 江西建材，2013，(4)