浅谈轻型门式钢架结构设计
摘要:本文简要介绍了门式轻钢结构的概况，对它的设计方法、设计步骤、材料选型和设计中需要注意的问题，做了简要介绍，有利于对轻型门式钢架结构设计有较为完整的认识。
关键词:轻型门式钢架；设计步骤
轻型门式钢架房屋结构在我国的应用自20世纪60年代开始兴起，90年代以来随着我国彩色钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，轻刚结构在我国进入兴旺发展的时代。在目前的工程实践中，门式钢架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨钢架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
门式钢架轻型房屋钢结构设计一般采用以概率理论为基础的极限状态设计法，按分项系数设计表达式进行计算；承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
一、柱网布置的确定
轻钢厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度确定合理的跨度。通过已往多个工程的设计实践，在门式钢架设计过程中对柱网安排得出以下结论：
（一）通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的钢架单位用钢量（Q235B）为18～28kg/m2，当跨度在21～48m之间的钢架单位用钢量为25～40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨钢架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨钢架节约18%左右，因此设计门式钢架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。对门式钢架轻型钢结构而言，钢架用钢量是最主要的，当钢架跨度较小时，钢架用钢量甚至占总用钢量的50％以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量所占比例较小，因此，在设计门式钢架时应精确设计，合理使用。
（二）随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了钢架的用钢量。其次是檩条，由于长细比的要求，用钢量增加也较快。
综合各项用钢量，设计时可以做出多种方案进行比较，最终选择最佳方案。
二、门式钢架荷载取值
门式钢架房屋上作用的荷载一般有：竖向荷载（结构自重、雪荷载、积灰荷载等）和水平荷载（风荷载、吊车刹车力），还有地震荷载（水平和竖向）。由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。
三、钢架内力和侧移计算方法
（一）内力计算方法：对于变截面门式钢架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当钢架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式钢架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。
（二）侧移计算方法：变截面门式钢架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时钢架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。
四、檩条、拉条和撑杆设计
（一）檩条设计
1、檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。设计时，应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。
2、檩条设计时，要考虑檩应为冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱。同时强度计算要用净断面，要考虑钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。钢架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。
3、檩条设计时，应考虑檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是钢架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少钢架平面外的计算长度，有效的保证了钢架的平面外整体稳定性。
（二）檩条的拉条和撑杆设计
1、拉条的设置
檩条的拉条设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。对于侧向刚度较差的实腹时和平面桁架式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；当屋面坡度i＞1/10，檩条跨度＞4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉条；当跨度＞6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑杆。拉条的直径为8～12mm，根据荷载和檩距大小选用。
2、撑杆的设置：檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。撑竿的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。目前也有采用钢管内设拉条的做法。撑竿处应同时设置斜拉条。
五、如何确定屋面支撑与柱间支撑的大小
（一）屋面支撑。屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。
当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。
（二）柱间支撑。对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。
六、隅撑的作用与设计
隅撑的作用主要是阻止梁的下翼缘及柱的内侧翼缘失稳。并在设计计算中作为减少梁柱的平面外计算长度的最不利侧向支撑间的最大间距。
隅撑之所以要设，是因为钢架斜梁受力的变化。在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距，上翼缘的稳定可以保证。
但在受到风吸力荷载作用时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑。因此，在梁的下翼缘上应加设隅撑给钢梁的下翼缘提供支撑。隅撑一边与梁的下翼缘连接，一边与檩条连接。隅撑的做法
详见门式钢架的相关规范。
七、结束语
在轻型门式钢架结构设计过程中，通过对设计要点和重点的把握及合理配置，可以有效地起到方便制作、安装，节约钢材用量的作用。轻型门式钢架结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。
参考文献：
[1]陆赐麟，《轻钢结构的重量应该更轻》建筑结构，2003（10）
[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]《门式钢架轻型技术规程》CECS102:2002
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关键词:轻型门式钢架；设计步骤
轻型门式钢架房屋结构在我国的应用自20世纪60年代开始兴起，90年代以来随着我国彩色钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，轻刚结构在我国进入兴旺发展的时代。在目前的工程实践中，门式钢架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨钢架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
门式钢架轻型房屋钢结构设计一般采用以概率理论为基础的极限状态设计法，按分项系数设计表达式进行计算；承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
一、柱网布置的确定
轻钢厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。在尽可能满足生产工艺和使用功能上，应根据房屋的高度确定合理的跨度。通过已往多个工程的设计实践，在门式钢架设计过程中对柱网安排得出以下结论：
（一）通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18～30m之间的钢架单位用钢量（Q235B）为18～28kg/m2，当跨度在21～48m之间的钢架单位用钢量为25～40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨钢架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨钢架节约18%左右，因此设计门式钢架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。对门式钢架轻型钢结构而言，钢架用钢量是最主要的，当钢架跨度较小时，钢架用钢量甚至占总用钢量的50％以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量所占比例较小，因此，在设计门式钢架时应精确设计，合理使用。
（二）随着柱距增大，其它各部分结构的用钢量均随柱距的增加而增加，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量所占比例较大，并最终超过了钢架的用钢量。其次是檩条，由于长细比的要求，用钢量增加也较快。
综合各项用钢量，设计时可以做出多种方案进行比较，最终选择最佳方案。
二、门式钢架荷载取值
门式钢架房屋上作用的荷载一般有：竖向荷载（结构自重、雪荷载、积灰荷载等）和水平荷载（风荷载、吊车刹车力），还有地震荷载（水平和竖向）。由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。
三、钢架内力和侧移计算方法
（一）内力计算方法：对于变截面门式钢架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当钢架的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式钢架的内力通常采用杆系单元的有限元法（直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底部剪力法分析确定。根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。
（二）侧移计算方法：变截面门式钢架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定，计算时荷载取标准值，不考虑荷载分项系数。如果最后验算时钢架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施进行调整：放大柱或梁的截面尺寸，改铰接柱脚为刚接柱脚。
四、檩条、拉条和撑杆设计
（一）檩条设计
1、檩条属于双向受弯构件，在进行内力分析时应沿截面两个形心主轴方向计算弯矩。设计时，应对檩条进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。
2、檩条设计时，要考虑檩应为冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱。同时强度计算要用净断面，要考虑钉孔减弱。这种减弱，一般达到6～15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。钢架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。
3、檩条设计时，应考虑檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是钢架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少钢架平面外的计算长度，有效的保证了钢架的平面外整体稳定性。
（二）檩条的拉条和撑杆设计
1、拉条的设置
檩条的拉条设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。对于侧向刚度较差的实腹时和平面桁架式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；当屋面坡度i＞1/10，檩条跨度＞4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉条；当跨度＞6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑杆。拉条的直径为8～12mm，根据荷载和檩距大小选用。
2、撑杆的设置：檩条撑杆的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。撑竿的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。目前也有采用钢管内设拉条的做法。撑竿处应同时设置斜拉条。
五、如何确定屋面支撑与柱间支撑的大小
（一）屋面支撑。屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比选择。交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢，非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。
当屋架跨度较大、房屋较高且风压较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。
（二）柱间支撑。对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑。上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时应采用角钢或槽钢。为了提高厂房纵向刚度，当吊车较大时，应交叉斜杆应按拉杆设计。
六、隅撑的作用与设计
隅撑的作用主要是阻止梁的下翼缘及柱的内侧翼缘失稳。并在设计计算中作为减少梁柱的平面外计算长度的最不利侧向支撑间的最大间距。
隅撑之所以要设，是因为钢架斜梁受力的变化。在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距，上翼缘的稳定可以保证。
但在受到风吸力荷载作用时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑。因此，在梁的下翼缘上应加设隅撑给钢梁的下翼缘提供支撑。隅撑一边与梁的下翼缘连接，一边与檩条连接。隅撑的做法
详见门式钢架的相关规范。
七、结束语
在轻型门式钢架结构设计过程中，通过对设计要点和重点的把握及合理配置，可以有效地起到方便制作、安装，节约钢材用量的作用。轻型门式钢架结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用。
参考文献：
[1]陆赐麟，《轻钢结构的重量应该更轻》建筑结构，2003（10）
[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003
[3]《门式钢架轻型技术规程》CECS102:2002
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