36米跨度轻型门式钢架结构设计(2)

马晨：双跨轻型门式刚架结构设计

展，除必要的技术导入之外，应根据自身能力，追逐理论热点，以科技为先导，开展必要的科研工作，以最大限度地挖掘利润[5]空间，追求更大的经济效益和社会效益，满足生产和市场需要。就目前的热点问题有以下几个方面：

(1)理论研究方面：

①应力蒙皮效应与结构共同工作的空间作用；

②I型变截面梁柱，在腹板局部屈曲后刚架结构体系的稳定极限承载力；

③以用钢量为目标函数，以极限承载力或不适合变形为控制参数的计算机分析、优化设计和评估软件系统的开发等。

(2)实验验证方面：

①节点、基本构件和整体刚架结构，在静力和动力荷载作用下的受力性能、破坏机理和对稳定极限承载力的影响；

②刚架结构体系，在动力和地震荷载作用下的工作性能和破坏机理等。 (3)设计与生产领域技术方面

①轻型门式刚架房屋钢结构体系的进一步简化；

②构件节点(包括刚架和彩板节点)设计的可靠性和方便适用；

焊接I型钢生产线的加工工艺的连续性和高效性，各环节效率如何协调同步，以及具体环节内的专项技术。如切割、组立(或拼装)、焊接、校正以及除锈和防腐处理技术等。

另外，轻型门式刚架的安装技术有别与传统钢结构。刚架的安装要区别具体情况和自身安装能力，选择整体或组合吊装方案。整体吊装的主要优点是速度快，但机械和机具需用量大，并应注意吊装过程中的稳定和作业安全等问题；组合吊装机械和机具需用量少，但工作量相对较大，用时较长。并且由于作业量大，空中作业的安全性等问题显得十分突出。同时两者均须强调安装精度对结构受力的影响。压型板以及配套附件安装则应着重于根据不同板型的需要，选择不同的安装工艺，并且更强调板型连接和节点处理质量，达到外形美观和符合功能性要求等。

2.2 轻型门式刚架的结构体系

2.2.1 门式刚架的结构形式

低层轻钢建筑指两层以下(含两层)的轻钢房屋建筑，主要有实腹式、门式刚架或排架，也可采用格构式构件。其各榀钢架(含端墙体系)靠墙梁、檩条和各类支撑体系，构成空间的承力体系。门式刚架轻钢建筑是我国当前最常见和最受欢迎的轻钢建筑形式，在国内低

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层金属建筑中占垄断地位，也是人们通常印象中的轻钢建筑。门式刚架轻钢建筑在空间尺寸上，一般檐高为4.5m-9m，并可适当加大，单体单跨宽以9m-36m为宜，多跨可达100m以上；不设置温度分区的单体建筑平面尺寸可做到长300m，宽150m，采用温度分区等构造措施后，理论上其平面布置可不受尺寸限制，能较好地满足人们对建筑的布局灵活，使用空间大的要求。轻钢建筑的主结构、次结构、支撑体系、围护体系，形成一个空间三维的承力体系而共同工作，通常称为系统建筑。

门式刚架轻钢结构体系的主要组成部分为：三块钢板焊接工字型组合截面组成的门式刚架，檩条、墙梁和支撑等次要构件，压型钢板—混凝土楼板组合的楼面，墙面板及屋面板采用彩色压型钢板、压型铝板或压型复合板等。

主刚架是门式刚架结构中的主要受力体系，由刚架柱和刚架梁两部分组成其截面一般采用焊接实腹式工字形或热轧H型钢。根据刚架的受力特性，刚架柱和刚架梁一般采用变截面的楔形梁(如图2-1a)，以利于构件材料强度的充分发挥和降低造价。因而热轧H型钢在门式轻型钢结构中的应用截止目前还不是特别普遍。这主要是由于热轧H型钢一般为等截面而不是变截面[6]。但是热轧H型钢有其自身的特点：热轧成型材料质量容易保证、材料残余应力小，因而随着设计技术的不断发展，相信也会逐步扩大其使用领域。

图2-1主钢架形式图

Figure 2-1 main steel frame form chart

对于有吊车的房屋，刚架柱一般采用等截面柱或等截面阶形柱，刚架梁仍然采用与应力图形接近的变截面楔形梁(如图2-1b)。

主钢构承受几乎所有的荷载，所有连接于主钢构的构件都要将其承担的荷载通过主钢构传递下去，主钢构是建筑物的骨架。如果把一座厂房比作一棵大树，那么主钢构就好比是树干，大树不倒靠的是树干，结构牢靠钢构起着决定性的作用，其用钢量也在整个结构中占有相当的比重。

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2.2.2 门式轻型钢架特点及适用范围

(1)轻型门式刚架结构的特点：

轻型门式刚架结构，在工业发达国家经数十年发展，目前己非常广泛地应用于各种房屋中。近年来，我国也开始较多地采用这种结构，并形成自己的系列，轻型门式刚架轻型钢结构的截面尺寸较小，刚架构件的刚度较好，其平面内、平面外差别较小，因此在应用中有以下特点[7]：

①门式刚架内力分布较为均匀，有利于发挥材料的承载力。

②在多跨建筑中可做成一个屋脊的大双坡屋面，为长坡面排水创造了条件。设中间柱可减小横梁的跨度，从而降低造价。

③重量较轻，抗震性能好。门式刚架轻型钢结构的重量是钢筋混凝土结构1/8~1/10，是普通钢结构的1/2~1/3。因而可以降低地基基础造价，减少地震作用的影响；内部空旷，结构新颖。在商业建筑中可减少吊顶等装修造价，还能满足大跨度的要求。

④门式刚架构件平面内外刚度比较接近，有利于制作、运输和安装。

⑤具有系列化、标准化，被称为工业化全装配式结构。从屋面、墙面、墙架、保温层和承重结构，形成完整的体系，具有高度的系列化和装配化。

⑥造价合理，综合经济效益好，在综合造价上可以与钢筋混凝土基本持平。用于中、小跨度的工业建筑和较大跨度的民用公共建筑，均有较为广泛的适用性和较好的经济效果。

(2)轻型门式刚架结构的适用范围：

近几年来，随着我国彩钢板产量的增加和焊接H型钢的出现，门式刚架结构在我国大量涌现，据有关资料统计，到2000年我国已建成的此类结构工程已达800多万平方米，而且以每年100万平方米以上的速度增加。

门式刚架通常用于跨度9~36m，柱距一般为6m，柱高为4.5~9m，没有或设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑。设置桥式吊车时起重量不宜大于20t属于中、轻级工作制的吊车(柱距6m时不宜大于30t)；设置悬挂吊车时起重量不宜大于3t。

①单层工业厂房轻型结构门式刚架建造大、中型厂房可设置1t~3t的悬挂吊车，或起重量小于20t的中轻级工作制的单梁或桥式吊车。建成后的厂房结构轻巧、厂房明亮，造型美观大方，一改过去工业厂房笨重、呆板的模式。

②单层库房由门式刚架做成的库房外形美观、库内空间大，适用于码头仓库和工厂的

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各种库房。采用由焊接H型钢组成的变截面门式刚架，压型钢板围护结构，一栋近800平方米的棉花库房，3天—5天可以安装完毕。如在北京西郊机场建设中，从美国引进一座跨度72m的飞机库，安装工期仅为3个月，与采用3层焊接空心球网架结构相比，不仅造价低、安装方便，而且施工速度快。

③现代商业、文化娱乐设施和体育馆各种商业建筑如超级市场、贸易中心，农贸综合市场以及各种名义的商业城，要求建筑物跨度大，视野开阔。这些建筑最合理的结构形式就是轻型门式刚架，它具有兴建快、改建或转向容易、造价低和适应性强等特点。

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3 设计的理论知识

3.1 轻型门式刚架荷载取值及荷载效应组合研究

设计荷载是结构设计的基本依据，是保证结构安全运行和经济投资的首要因素。由于我国门式刚架的研究与应用起步较晚，到目前为止尚无正式的国家规范面世，当前的设计与施工均执行中国工程建设标准化协会编制的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102：2002)。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第3.1.2条的规定：门式刚架轻型房屋钢结构的承重构件，应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。当结构构件按承载能力极限状态设计时，应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）的规定采用荷载效应的基本组合计算。当结构构件按正常使用极限状态设计时，应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定采用荷载效应的标准组合计算变形，并符合本规程3.4节的要求。

3.1.1 荷载的种类、取值

一个建筑对外界防御的第一道防线由墙面和屋面组成的外维护体系。它们同时承受风载，雪载等荷载的作用，并将这些荷载传到次要支承结构上。次结构即墙面墙梁及屋面檩条，将由墙面及屋面传递来的荷载均匀地传到主结构上去，同时对主结构提供良好的侧向约束。对于门式刚架轻钢结构，其主结构由柱及横梁构成，承受荷风载、雪载及其它的荷载，并将其传递到基础。

对于轻型单跨门式刚架结构，所受的荷载基本上有三大类：永久荷载、可变荷载偶然荷载[8]。

永久荷载：指轻型门式刚架结构本身各部分的自重，它包括屋面覆盖材料的自重、墙

体材料的自重、骨架结构极其支撑系统的自重、门窗及设备的自重和各种构造构件的自重。 可变载荷：轻型门式刚架结构所要考虑的可变荷载为屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、雪荷载和风荷载等[9]。

雪荷载：雪荷载是指屋面水平投影面上的积雪荷载，它的大小及其分布与气候、地形建筑物形状、屋面材料及屋面受热状况等因素有关。由于变量较多，统计数据不足，用统计函数关系来确定以上因素对雪荷载的影响还没有成熟的方法。为此，我们国家的规范采用半统计的方法来确定屋面积雪荷载。《建筑结构荷载规范》规定，基本雪压S。是以当地一般空旷平坦地面上的统计所得50年一遇最大积雪的自重确定，全国各地区的基本雪压值可按《建筑结构荷载规范》的全国基本雪压分布图的规定采用，当该地区的基本雪压值

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