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【摘要】门式刚架轻型钢结构由于其在厂房的设计与构造中优点突出，受到了广泛的应用，本文基于多年的工作经验首先对门式刚架轻型钢结构的认识做了简单的介绍，然后阐述了轻型钢结构门式刚架厂房结构设计工作的要点。
【关键词】轻型钢结构门式刚架结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
轻型门式刚架结构体系是近年来发展起来的新型结构体系，目前常用Ｈ型钢截面门式刚架为主的横向承重结构和纵向由冷弯成型的檩条、墙梁、墙柱、屋面板、墙板及各支撑体系等组成的轻钢建筑物。这类结构体系质量轻，机械化程度高，施工周期短，综合经济效益高，柱网布置比较灵活。
一、门式刚架轻型钢结构概述
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构型式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展"由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家：设计单位也纷纷转向这类结构的生产和设计。这类结构体系的最大特点就是重量轻，主要体现在如下几个方面：
（1）刚架自重轻：在门式刚架结构中，尤以焊接工字形截面实腹刚架应用最为广泛。由于截面简单，受力性能好，腹板宽厚比限值较大（有时达150——200），既采用等截面亦采用变截面形式。
（2）轻质高强屋面和屋面材料：如各种型式的压型钢板；对需要保温的厂房则可采用夹芯保温板；无螺钉孔的锁缝槽型板（或加保温层）等。
（3）薄壁型钢檩条和墙架梁：高度可达300mm，厚度最大仅为3.0mm，适用柱矩可达9——12m.
由于厂房系统的自重大为降低，当跨度较大且吊车吨位较大，水平风荷载并未因自重的降低而减小，结果造成厂房结构基础垂直反力过小而弯矩较大，即基础偏心距过大，给基础设计造成很大困难。以下就对门式钢架设计做简单的分析。
二、门式刚架设计
1、门式刚架的形式
门式刚架的形式有单脊单坡、单脊双坡多跨和多脊多坡等形式，必要时也可采取带挑檐和毗屋的形式。门式刚架的横梁一般为变截面，刚架柱则根据建筑物的跨度、高度、荷载大小及荷载种类可采取变截面或等截面。设有桥式吊车时，柱采用等截面构件。门式刚的柱脚一般设计成铰接，可简化柱脚构造，降低对基的要求，减少基础造价。但当设有桥式吊车，并对侧向刚度有严格要求时，柱脚则应设计为刚接。当刚度能够足使用要求时，门式刚架的中间柱上端可与横梁铰成为摇摆柱。门式刚架的构件一般采用实腹焊接工字截面或热轧H型钢，变截面可以采取改变截面高度变腹板厚度或者改变翼缘厚度和宽度的方式。截面的化主要根据结构的内力变化而定，充分发挥材料的用。
2、门式刚架受力分析
考虑到计算时假设屋面活载是满布的，如荷载取过大，则安全度较大，用钢量也增大，规程Ⅰ规定:当用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2，包括计算屋板、檩条，但对受荷载水平投影面积大于60m2的钢屋构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可不小0.3kN/m2。荷载效应组合应符合下列原则：
（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两中较大值；
（2）积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较值同时考虑；
（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自以外的其他荷载同时考虑；
（4）多台吊车的组合应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009-2012的规定的定；
（5）风荷载不与地震作用同时考虑。
3、节点设计
门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件边缘垂直。
端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，应按能承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计。主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，吊车梁与制动梁的连接宜采用摩擦型高强度螺栓，通常选用M16～M24。吊车梁与刚架连接处宜设长圆孔。檩条与刚架斜梁以及墙梁与柱的连接常采用M12普通螺栓。端板连接的螺栓应成对地对称布置，在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置，并宜使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。螺栓中心至翼缘板表面的距离应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。门式刚架受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取75mm，且不小于3倍孔径。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。当端板上两对螺栓间的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强度。
4、檩条、墙梁及拉条
门式刚架轻型钢结构厂房中的檩条和墙梁一般采用高效经济的实腹式带卷边C形和Z形冷弯薄壁型钢，其优点是截面回转半径和惯性矩相对较大，整体刚度较好，能够充分发挥材料的性能，但同时也存在截面抗扭刚度较小，对荷载的偏心非常敏感，在计算时要考虑可能产生的扭转变形和约束翘曲应力。在设计檩条、墙梁、拉条一类的围护构件时应注意以下几点:
（1）风荷载标准值按规程的规定计算更能符合实际；为避免造成施工中的不便，应尽量不采用双层拉条。
（2）当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过稳定计算解决;在风吸力作用下檩条的稳定性可采用《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》中的公式验算。
轻型钢结构中各构件分为刚架、檩条、屋面板等若干类，分别对应不同的风荷载体型系数，可据此计算各构件的控制截面的弯矩，调整相应的风荷载系数。如在对多台风地区轻钢厂房屋面檩条设计计算方法所进行的分析中，认为轻钢厂房在台风中遭严重破坏的主要原因是设计中重结构轻围护；其次，在现行规范中，低层房屋围护结构的风荷载计算不统一，在高风压地区一些不合理的规定也是造成钢结构事故的原因。根据轻钢结构在台风中的特性，设计时，也可在破坏围护结构的非重要部位设置导风巢。
三、支撑设计与构造
1、屋盖支撑
为保证承重结构在安装和使用过程中的整体稳定性，提高结构的空间作用，减少刚架在平面外的计算长度，一般应根据厂房跨度，厂房高度，吊车吨位及所在地区的抗震设防烈度等设置支撑体系。
屋盖支撑系统通常包括横向支撑、竖向支撑、纵向支撑和系杆。设计屋盖支撑时应注意以下几点：
在设置纵向支撑的相应水平面内设置横向支撑。
所有横向、纵向支撑、托架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式
在房屋每个温度区段应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
传递风力、吊車水平力和水平地震作用的支撑，应能使外力由作用点传递到结构的支座。
柱距越大，吊车吨位越大，工作级别越高，支撑的刚度应越大。
2、柱间支撑
为确保房屋承重结构的正常工作，厂房纵向一般应设置纵向柱间支撑，其主要作用有以下几点：
保证纵向的整体稳定和空间刚度；
减小柱在平面外的计算长度；
承受风荷载，吊车纵向水平力，温度应力和地震作用，并将这些水平力传至基础。
柱间支撑一般由上柱支撑和下柱支撑组成，柱间支撑的形式主要有十字形，人字形，八字形等形式。
布置柱间支撑时应注意一下几点：
其布置位置要满足生产工艺的要求，避免出现碰撞的问题；
应满足房屋纵向刚度的要求，以及受力的要求；
柱间支撑的布置应与屋面支撑的布置相对应；
每一温度区段，均应设置柱间支撑；
四、柱脚设计
柱脚的作用是把柱下端固定并将其内力传给基础。柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，不存在绝对刚接或绝对铰接。铰接一般用于不带吊车的厂房、仓库以及柱上端水平位移不大的刚架中，对于有吊车以及檐口高度较高、风载等其他水平荷载较大的情况下宜用刚接。柱脚铰接时通长为平板式支座，设置为一对或两对地脚螺栓。柱脚刚接时有两种形式：即带加劲肋的刚接柱脚和带靴梁的刚接柱脚。柱脚形式的选择还要考虑土质情况及基础造价。当采用刚接柱脚时，基础承受较大的偏心弯矩，基础平面尺寸和造价较采用铰接柱脚的基础要大，土质情况差的时候，相差会更大。
因此，选用何种柱脚形式要根据房屋的高度、风载大小、有无吊车、吊车的吨位和工作情况及土质情况综合考虑。
结束语： 门式刚架轻型钢结构厂房在我国应用已经比较广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍较多。在门式刚架轻型结构设计时，钢结构的节点、构件的整体稳定是确保门式刚架安全的关键。门式刚架轻型钢结构厂房除主刚架强度和稳定计算外，支撑体系的布置非常重要。
参考文献
[1] 周成. 浅析轻型门式刚架结构工业厂房基础设计[J]. 江西建材. 2007(04)
[2] 志通. 门式刚架轻钢结构设计中应注意的问题[J]. 山西建筑. 2005(22)
[3] 郝利平，张志凯. 轻型门式刚架基础设计探讨[J]. 内蒙古石油化工. 2010(08)
[4] 钢结构设计手册（上册）中国建筑工业出版社
【关键词】轻型钢结构门式刚架结构设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
轻型门式刚架结构体系是近年来发展起来的新型结构体系，目前常用Ｈ型钢截面门式刚架为主的横向承重结构和纵向由冷弯成型的檩条、墙梁、墙柱、屋面板、墙板及各支撑体系等组成的轻钢建筑物。这类结构体系质量轻，机械化程度高，施工周期短，综合经济效益高，柱网布置比较灵活。
一、门式刚架轻型钢结构概述
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构型式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展"由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家：设计单位也纷纷转向这类结构的生产和设计。这类结构体系的最大特点就是重量轻，主要体现在如下几个方面：
（1）刚架自重轻：在门式刚架结构中，尤以焊接工字形截面实腹刚架应用最为广泛。由于截面简单，受力性能好，腹板宽厚比限值较大（有时达150——200），既采用等截面亦采用变截面形式。
（2）轻质高强屋面和屋面材料：如各种型式的压型钢板；对需要保温的厂房则可采用夹芯保温板；无螺钉孔的锁缝槽型板（或加保温层）等。
（3）薄壁型钢檩条和墙架梁：高度可达300mm，厚度最大仅为3.0mm，适用柱矩可达9——12m.
由于厂房系统的自重大为降低，当跨度较大且吊车吨位较大，水平风荷载并未因自重的降低而减小，结果造成厂房结构基础垂直反力过小而弯矩较大，即基础偏心距过大，给基础设计造成很大困难。以下就对门式钢架设计做简单的分析。
二、门式刚架设计
1、门式刚架的形式
门式刚架的形式有单脊单坡、单脊双坡多跨和多脊多坡等形式，必要时也可采取带挑檐和毗屋的形式。门式刚架的横梁一般为变截面，刚架柱则根据建筑物的跨度、高度、荷载大小及荷载种类可采取变截面或等截面。设有桥式吊车时，柱采用等截面构件。门式刚的柱脚一般设计成铰接，可简化柱脚构造，降低对基的要求，减少基础造价。但当设有桥式吊车，并对侧向刚度有严格要求时，柱脚则应设计为刚接。当刚度能够足使用要求时，门式刚架的中间柱上端可与横梁铰成为摇摆柱。门式刚架的构件一般采用实腹焊接工字截面或热轧H型钢，变截面可以采取改变截面高度变腹板厚度或者改变翼缘厚度和宽度的方式。截面的化主要根据结构的内力变化而定，充分发挥材料的用。
2、门式刚架受力分析
考虑到计算时假设屋面活载是满布的，如荷载取过大，则安全度较大，用钢量也增大，规程Ⅰ规定:当用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2，包括计算屋板、檩条，但对受荷载水平投影面积大于60m2的钢屋构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可不小0.3kN/m2。荷载效应组合应符合下列原则：
（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两中较大值；
（2）积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较值同时考虑；
（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自以外的其他荷载同时考虑；
（4）多台吊车的组合应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB5009-2012的规定的定；
（5）风荷载不与地震作用同时考虑。
3、节点设计
门式刚架斜梁与柱的连接可采用端板竖放、端板平放和端板斜放三种形式。斜梁拼接时宜使端板与构件边缘垂直。
端板连接应按所受最大内力设计。当内力较小时，应按能承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计。主刚架构件的连接应采用高强度螺栓，吊车梁与制动梁的连接宜采用摩擦型高强度螺栓，通常选用M16～M24。吊车梁与刚架连接处宜设长圆孔。檩条与刚架斜梁以及墙梁与柱的连接常采用M12普通螺栓。端板连接的螺栓应成对地对称布置，在受拉翼缘和受压翼缘的内外两侧均应设置，并宜使每个翼缘的螺栓群中心与翼缘的中心重合或接近。螺栓中心至翼缘板表面的距离应满足拧紧螺栓时的施工要求，不宜小于35mm。螺栓端距不应小于2倍螺栓孔径。门式刚架受压翼缘的螺栓不宜少于两排。当受拉翼缘两侧各设一排螺栓尚不能满足承载力要求时，可在翼缘内侧增设螺栓，其间距可取75mm，且不小于3倍孔径。与斜梁端板连接的柱翼缘部分应与端板等厚度。当端板上两对螺栓间的最大距离大于400mm时，应在端板的中部增设一对螺栓。同时受拉和受剪的螺栓，应验算螺栓在拉、剪共同作用下的强度。
4、檩条、墙梁及拉条
门式刚架轻型钢结构厂房中的檩条和墙梁一般采用高效经济的实腹式带卷边C形和Z形冷弯薄壁型钢，其优点是截面回转半径和惯性矩相对较大，整体刚度较好，能够充分发挥材料的性能，但同时也存在截面抗扭刚度较小，对荷载的偏心非常敏感，在计算时要考虑可能产生的扭转变形和约束翘曲应力。在设计檩条、墙梁、拉条一类的围护构件时应注意以下几点:
（1）风荷载标准值按规程的规定计算更能符合实际；为避免造成施工中的不便，应尽量不采用双层拉条。
（2）当檩条在风吸力组合作用下下翼缘受压时，可通过稳定计算解决;在风吸力作用下檩条的稳定性可采用《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规范》中的公式验算。
轻型钢结构中各构件分为刚架、檩条、屋面板等若干类，分别对应不同的风荷载体型系数，可据此计算各构件的控制截面的弯矩，调整相应的风荷载系数。如在对多台风地区轻钢厂房屋面檩条设计计算方法所进行的分析中，认为轻钢厂房在台风中遭严重破坏的主要原因是设计中重结构轻围护；其次，在现行规范中，低层房屋围护结构的风荷载计算不统一，在高风压地区一些不合理的规定也是造成钢结构事故的原因。根据轻钢结构在台风中的特性，设计时，也可在破坏围护结构的非重要部位设置导风巢。
三、支撑设计与构造
1、屋盖支撑
为保证承重结构在安装和使用过程中的整体稳定性，提高结构的空间作用，减少刚架在平面外的计算长度，一般应根据厂房跨度，厂房高度，吊车吨位及所在地区的抗震设防烈度等设置支撑体系。
屋盖支撑系统通常包括横向支撑、竖向支撑、纵向支撑和系杆。设计屋盖支撑时应注意以下几点：
在设置纵向支撑的相应水平面内设置横向支撑。
所有横向、纵向支撑、托架、天窗架等的杆件或檩条组成几何不变的桁架形式
在房屋每个温度区段应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
传递风力、吊車水平力和水平地震作用的支撑，应能使外力由作用点传递到结构的支座。
柱距越大，吊车吨位越大，工作级别越高，支撑的刚度应越大。
2、柱间支撑
为确保房屋承重结构的正常工作，厂房纵向一般应设置纵向柱间支撑，其主要作用有以下几点：
保证纵向的整体稳定和空间刚度；
减小柱在平面外的计算长度；
承受风荷载，吊车纵向水平力，温度应力和地震作用，并将这些水平力传至基础。
柱间支撑一般由上柱支撑和下柱支撑组成，柱间支撑的形式主要有十字形，人字形，八字形等形式。
布置柱间支撑时应注意一下几点：
其布置位置要满足生产工艺的要求，避免出现碰撞的问题；
应满足房屋纵向刚度的要求，以及受力的要求；
柱间支撑的布置应与屋面支撑的布置相对应；
每一温度区段，均应设置柱间支撑；
四、柱脚设计
柱脚的作用是把柱下端固定并将其内力传给基础。柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，不存在绝对刚接或绝对铰接。铰接一般用于不带吊车的厂房、仓库以及柱上端水平位移不大的刚架中，对于有吊车以及檐口高度较高、风载等其他水平荷载较大的情况下宜用刚接。柱脚铰接时通长为平板式支座，设置为一对或两对地脚螺栓。柱脚刚接时有两种形式：即带加劲肋的刚接柱脚和带靴梁的刚接柱脚。柱脚形式的选择还要考虑土质情况及基础造价。当采用刚接柱脚时，基础承受较大的偏心弯矩，基础平面尺寸和造价较采用铰接柱脚的基础要大，土质情况差的时候，相差会更大。
因此，选用何种柱脚形式要根据房屋的高度、风载大小、有无吊车、吊车的吨位和工作情况及土质情况综合考虑。
结束语： 门式刚架轻型钢结构厂房在我国应用已经比较广泛，技术日趋成熟，但需要完善和研究的问题仍较多。在门式刚架轻型结构设计时，钢结构的节点、构件的整体稳定是确保门式刚架安全的关键。门式刚架轻型钢结构厂房除主刚架强度和稳定计算外，支撑体系的布置非常重要。
参考文献
[1] 周成. 浅析轻型门式刚架结构工业厂房基础设计[J]. 江西建材. 2007(04)
[2] 志通. 门式刚架轻钢结构设计中应注意的问题[J]. 山西建筑. 2005(22)
[3] 郝利平，张志凯. 轻型门式刚架基础设计探讨[J]. 内蒙古石油化工. 2010(08)
[4] 钢结构设计手册（上册）中国建筑工业出版社