摘要：通过对门式刚架柱距的分析比较、合理选择柱距的问题；二维和三维分析的选择；隅撑设计的注意事项；柱间支撑的合理设计；设计中常见的超限处理措施；可供门式刚架的设计人员参考。
关键词：门式刚架轻型钢结构；厂房设计；相关问题
引言
门式刚架轻型钢结构在工业厂房的广泛应用主要是因为其有造价低廉、自身重量较轻、传力路径明确、加工简便以及施工周期相对较短的优点。
1结构适用范围
门式刚架轻型钢结构在工业厂房以及各种临时性建筑，可根据需要设置为单跨、双跨或多跨；可为单层，也可局部夹层；有的可以采用下部一层或几层为钢框架，上部为大空间的门式刚架；根据需要，可在门式刚架中布置中、轻级的梁式、桥式或悬挂式起重机；一般门式刚架的跨度为9~36m，柱距为6~9m，房屋高度不大于18m。
2工程概况
本工程位于温州龙湾区滨海园区，50年一遇基本风压Wo=0.6kN/㎡，100年一遇基本雪压So=0.35kN/㎡，总宽度21m，由于工艺要求中间不能设柱，因此只能是单跨结构。若做成单跨混凝土框架结构，有几个主要问题：第一，单跨框架不被抗震规范所推荐，能不做尽量不做；第二，由于跨度太大，而混凝土自重都很大，这势必造成混凝土框架结构经济性太差；经综合分析比较，采用门式刚架方案。柱距7.5m，纵向总长60m，无吊车，檐口高度7m，单脊双坡（坡度10%），场地类别为Ⅳ类。门架立面图见图一
3门式刚架轻型钢结构厂房设计
3.1确定厂房经济柱距
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）规定，刚架柱距宜为6m、7.5m、9m。经过大量计算发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量则会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式刚架存在着最优柱距。针对本工程笔者做了柱距方案的比较：
图一：门架立面图
方案一：纵向柱距为7.5m，共9榀刚架，每榀刚架跨度为21m。
主要构件截面尺寸：
刚架梁：H（450~700）x180x6x8，刚架柱：H（300~550）x250x6x10
边跨檩条：XZ220x75x20x2.2，中间跨檩条：XZ220x75x20x2.0
方案二：纵向柱距为6m，共11榀刚架，每榀刚架跨度为21m。
主要构件截面尺寸：
刚架梁：H（400~600）x180x6x8，刚架柱：H（300~450）x240x6x10
边跨檩条：C220x75x20x2.2，中间跨檩条：C220x75x20x2.0
最终结果，通过以上钢架和檩条的对比，7.5m柱距方案比6.0m柱距方案用钢量少1516kg。因此，本工程最终采用柱距7.5m，不仅用钢量节约而且基础数量也减少。
3.2门式刚架的计算方式
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）第6.1.2条：门式刚架不宜考虑应力蒙皮效应，可按平面结构分析内力，即二维分析计算。应力蒙皮效应是指通过屋面板的面内刚度，将分摊到屋面的水平力传递到山墙结构的一种效应。应力蒙皮效应可以减少门式刚架梁柱受力，减少梁柱截面，从而节省用钢量。但是，应力蒙皮效应的实现需要满足一定的构造措施：
（1）自攻螺钉连接屋面板与檩条；
（2）传力途径不要中断，即屋面不得大开口（条形坡度方向的采光带）；
（3）屋面与屋面梁之间要增设剪力传递件（剪力传递件是与檩条相同截面的短的C型或Z型钢，安装在屋面梁上，顺坡方向，上翼缘与屋面板采用自动螺钉连接，下翼缘与屋面梁采用螺栓连接或焊接）；
（4）厂房总长度不大于横向宽度的1.5倍；
（5）强大的端框架：山墙结构增设柱间支撑以传递应力蒙皮效应传递来的水平力至基础。
笔者认为采用应力蒙皮概念设计的厂房，端框架必须刚强，因为水平力要汇聚到端框架上，同时满足以上五条构造措施是很难的，因此大部分厂房是不能考虑蒙皮效应的。因此，门式刚架采用二维建模计算和设计是符合规范设计要求的。门式刚架体系的整体性依靠檩条、墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量。
3.3隅撑的设计
隅撑为门式轻钢结构特有之构件，如果不设置会加大含钢量，就不能体现与普钢的区别了。
（1）对于钢梁而言，规范条文特别强调，屋面斜梁的平面外计算长度取两倍檩距，似乎已成了一个默认的选项，有设计人员因此而认为隅撑可以间隔布置，笔者认为这是不对的，本条特别强调隅撑不能作为梁的固定的侧向支撑，不能充分地给梁提供侧向支撑，而仅仅是弹性支座。根据理论分析，隅撑支撑的梁的计算长度不小于2倍隅撑间距，即梁的平面外计算长度≥2倍隅撑间距。此外规范还强调，实腹式刚架斜梁的平面外计算长度，应取侧向支撑点的距离，一般可取系杆的间距。笔者根据多年的设计经验，结合《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）第7.1.6条，钢梁的平面外稳定计算应取带隅撑梁及侧向支撑点之间梁两者最不利设计。即PKPM计算结果文件中面外稳定按隅撑支撑取，那设置隅撑就没有问题；如果结果输出的面外稳定按支撑取，那就需要注意，面外的稳定是按照支撑保证的，实际工程就需要设置和计算时的支撑间距对应的支撑。
（2）对钢柱而言，无论是否带吊车，均需要设置隅撑。但是相对于钢梁而言，钢柱为压弯构件，而新规范中对于带隅撑梁是基于纯受弯构件，因此，规程中对于带隅撑梁的计算对于钢柱是不适用的。
众所周知，钢柱截面主要由其平面外稳定控制，而平面外稳定控制与平面外计算长度有很大关系。如果想控制经济性，建议钢柱平面外设置通长系杆，这样钢柱平面外计算长度可取通长系杆高度，这是一个即稳妥又经济的做法。但是笔者建议钢柱尽管计算不考虑隅撑的作用，但是隅撑和墙梁组合起来对于钢柱平面外是有实际的支撑效果的。钢柱作为唯一的竖向构件，有一定安全富余量也是可以接受的。
3.4柱间支撑的布置
为保证门式刚架纵向形成较为稳定的体系，并为后期刚架的安装提供便利，设计人员需确保柱间支撑与屋面支撑布置在同一柱间，这样才能起到增加纵向刚度的作用，本工程柱间支撑采用张紧的圆钢，在两个边纵列各设置3道柱间支撑，其计算简图见图二；一个边纵列的受荷面积为21/2x8.05=84.525㎡（偏安全的算至屋脊高度8.05m），则作用在柱顶上的F总=（84.525x1.1x1.04x1.0x0.6）/2=29kN，每列3个形式一样的柱
间支撑，考虑此水平力在三个柱间支撑的分配，可以将此水平力除以一个轴线内柱间支撑的个数；最终输入计算软件中的F=29/3=9.67kN，并按单拉杆进行设计。
图二：柱间支撑计算模型
3.5超限调整的一些心得
（1）强度超限
一般情况下是梁抗弯强度容易超限，此时调整梁高是比较有效的措施，如果是抗剪强度控制，则增加腹板厚度最有效。
（2）平面内稳定超限
增加梁平面内惯性矩或减少平面内计算长度，增加梁高或增大翼缘厚度可以有效地增加平面内惯性矩，增大柱子截面，加强柱子对梁的约束可以减少梁平面内计算长度，通长不选择这么做，代价太大且效果不如加梁高或增大翼缘厚度明显。
（3）平面外稳定超限
增加梁平面外惯性矩或者减少平面外计算长度，增加梁宽或增大翼缘厚度可以有效地增加平面外惯性矩，通过设置屋面梁隅撑，梁平面外设置为考虑隅撑支撑的梁，可以有效地减少梁平面外计算长度。
（4）长细比超限
减少计算长度或增大截面，哪个方向超限就减少相应方向的计算长度或增大构件相应方向的截面回转半径。
（5）挠度超限
增大钢梁截面，其中增加梁高最有效。
（6）侧移超限
增加刚架侧向刚度，增大梁、柱截面高度最有效。
结语
以上是笔者在实际设计过程中的一些心得和体会，希望给相关的设计人员有参考价值，门式刚架轻型结构在厂房的应用也越来越广泛。较之传统的钢筋混凝土材料，门式刚架轻型钢结构具有更为突出的优势，其不仅可满足工艺使用要求，同时还可大大降低施工成本、减少环境污染。
参考文献：
[1]蔡益燕.魏潮文，陈友泉，门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义
论文作者:邱建乐
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/15
标签：檩条论文; 平面论文; 截面论文; 蒙皮论文; 屋面论文; 长度论文; 钢结构论文; 《基层建设》2018年第34期论文;