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[摘 要] 门式钢结构设计已经广泛应用于建筑设计中，本文从门结构钢架设计的角度出发，分析了门式钢架结构垮塌的两个主要原因，并提出了相应的对策，以供设计和施工人员参考。
[关键词] 门式钢架结构 基础地脚螺栓 薄壁型钢构件稳定性
门式钢架结构广泛应用于现代轻型房屋的设计中，但是现实生活中有时会出现垮塌的现象，不但带来巨大的经济损失更会危及到人民群众的生命财产安全，作为结构设计者，应当从多角度分析垮塌原因，在设计和施工中做好相应的工作，避免此类现象的发生。
1.门式钢构的定义及常见垮塌原因
门式钢构：是指整个建筑物采用预制构件，即主钢架为焊接型或热轧型钢，次构件多为冷弯薄壁型钢，维护系统为保温复合板或单层压型钢板，并根据建筑物造型或使用功能的要求配合以门窗、夹层楼面、吊车、雨棚、封盖、内隔墙、自然采光、通风设备等而形成的整个建筑体系。广泛应用于各类工业厂房及民用住宅、特点是建造速度快、造价经济和宽敞的内部使用空间即优良的抗震性能。
一般情况下，主钢架有严格的建造工序及加工工艺标准，不会出现太多的问题，常见的垮塌原因有两种：基础地脚螺栓安装不铅直到位；薄壁型钢构件稳定性差。
2.基础地脚螺栓
（一）钢板模具固定法
工艺流程：准备工作→钢板放线→两块钢板点焊在一起→钢板钻孔→钢板模具组装→检查校正→螺栓组装
（1）钢板模具制作：根据螺栓的相对位置首先在钢板上放线，螺栓孔的相对位置即每个钢柱螺栓的相对位置，将两块钢板点焊在一起，放在台钻上进行钻孔，孔的直径比螺栓直径大1mm。
（2）在螺栓孔中插入地脚螺栓，根据地脚螺栓长度（地脚螺栓长度为：810、870、900），调整两块钢板之间的距离为400mm，用4Φ20的钢筋将两块钢板临时固定，然后，将螺栓拔出，用两个拐尺放在两个对角的孔上检查上下孔的垂直度，最后将钢板与钢筋焊接牢固，这样钢板模具制作完成。
（3）在已经制作好的钢板模具上倒插入地脚螺栓，在地脚螺栓的上部两次交叉点焊，这样地脚螺栓的组装工作就已经完成。
（二）竹胶板模具固定法
工艺流程：准备工作→竹胶板放线→两块竹胶板钉在一起→竹胶板钻孔→木方制作→竹胶板木方组装→竹胶板安装模具
（1）用钢板模具制作的同样方法制作两块竹胶板。
（2）用两根长度比基础柱截面尺寸长300mm的木方，先将两块木方放在平刨机上将两个木方的四面刨平且顺直，然后如上图所示在两个木方上开口，将两个木方合钉在一起，并检查两个木方是否垂直。
（3）木方与竹胶板组装时，竹胶板上的轴线必须与木方的其中一边重合，这样木方的边缘即为地脚螺栓的轴线。
（4）将木方边缘必须与基础柱模板上所画的轴线点（四个点）对准，然后将螺母在丝杆上拧紧来控制标高，再将两根木方与柱模板用铁钉及铁板卡子固定牢固。这样螺栓的安装工作已经完成。
（三）槽钢模具固定法
（1）按地脚螺栓的尺寸及标高，焊好#10槽钢架子。
（2）在土建进行柱钢筋绑扎前，把10＃槽钢架子按照复核好的轴线放在在承台中间预留的钢筋上，用水准仪看好标高，确认后将架子焊死在钢筋上；将预埋螺栓吊至槽钢架子上，复核好轴线位置，并将上口标高误差控制在-5mm以内；再用钢管从铁板下侧穿过，和钢管架子上的平行钢管夹牢。
（3）全部固定后再次对其复核轴线，及时调整在施工过程中出现的轴线偏差；再通过槽钢架子上的M16螺栓对预埋螺栓的标高进行微调；在钢筋绑扎时，应避免直接接触到预埋螺栓及相连的槽钢架子及钢管架子；钢筋绑扎完毕后，必须再次对预埋螺栓的位置及标高进行复测，一旦发现偏位现象，立即调整至原位；待全部验收合格后，立即对螺栓进行保护措施。用黄油将螺栓涂一层，再用塑料管套上固定好。
3.薄壁型钢构件稳定性
3.1 薄壁型钢受弯构件稳定性的设计理论
国内外薄壁型钢的设计一般采用基于板的大挠度方程的有效宽度法。即认为板件在达到极限承载力时，除了两侧宽度各为b/2的应力达到屈服强度外，中部宽度为b—be的板完全不承担压力(b为板件宽度，be为板件有效宽度)。然后由有效宽度确定计算其他承载力的有效面积和截面特性。薄壁型钢的有效宽度是根据支承条件确定的，一般分为筒支、卷边和自由三种情况。事实上，由于板的屈曲和受力条件、板件尺寸、初始缺陷等多种因素相关，因而确定板件的有效宽度较为复杂。尤其随着薄壁型钢构件截面形式的不断优化，利用有效宽度法设计薄壁构件的过程变得更加繁琐。为了适应新的设计要求，提出了直接强度法这一新的薄壁构件稳定性计算方法，即通过直接削弱截面板件的厚度和所能承担的应力，利用相关软件较为简便地确定具有复杂截面影式的冷弯薄壁型钢构件的承载力。但是，最近的研究结果指出，在某些情况下，直接强度法的精度低于等效宽度法，而且，直接强度法仅限于预测构件截面形心无变化的特殊情况。
3.2薄壁构件稳定性的研究进展
3.2.1弯扭屈曲
迄今为止，人们对构件局部屈曲、整体屈曲以及它们的耦合屈曲及相关作用，均已有了较为深入的研究并在世界主要的轻钢结构设计规范中初步形成了较为完善的设计准则。弯扭屈曲在薄壁构件的稳定性研究中占有非常重要的地位。最初描述了这一现象之后，尽管很多学者进行了不懈的探索，依然没有很好解决，因此弯扭屈鲢成为近年来薄壁结构领域的研究热点之一。基于弹性理论基本微分方程，首先得到了轴压薄壁钢柱弯扭屈曲的显式解，之后解析求解了薄壁钢梁在弯曲作用下的弯扭屈曲问题，最近报道了关于带凸缘的c型钢和z型钢在弯曲积轴压作用下弯扭屈曲的解析结果。利用有限元方法对T型悬臂梁的弹性弯扭屈曲进行了研究并对工字型连续梁的弯扭屈曲作了探讨。利用有限元方法分析了横向载荷作用下Z型和∑型薄壁梁的非线性稳定性并与试验结果作了比较，两者计算结果较为接近。利用有限条法分析后发现：弯扭屈曲比其余各种屉啦模态对缺陷更为灵敏，而且弯扭屈曲的后屈曲性能弱于其余屈曲模态，同时也提出了类似的手算方法。广义梁理论的提出和应用使人们对薄壁型锅构件的弯扭屈曲有了更深入的认识。但是所有目前这些研究尚未形成被人们普遍接受的设计规范，因此进一步深入的研究弯扭屈曲对于指导工程实际具有非常重要的意义。
3.2.2非线性屈曲
经过多年的实践积累，极限设计的概念已经深入人心，如何有效和用构件的塑性储备，减少工程造价，是人们越来越关心的问题。对于薄壁构件稳定性问题的非线性分析，近年来得到了工程界的高度重视。用有限元法对弯扭组合作用下开口薄壁梁的非线性稳定问题进行了系统研究。利用有限元方法研究了矩形、槽型截面梁的非线性屈曲。非线性屈曲问题是一个非常复杂的艰深课题，研究难度相对较大，但工程设计的急需又使得该方向的研究非常迫切。
3.2.3复杂约束作用下的屈曲
随着工程设计精度要求的不断提高，实际结构设计中越来越强调整体设计的思想。因此骨架一附属结构系统的整体稳定性与单个构件稳定性的差异，亦即附加约束对骨架结构强度和刚度的影响程度，日益受到人们的关注。附属结构对稳定性的影响主要体现在对骨架结构的横向约束上，通常有连续约束和离散约束两种形式，目前这两种约束一般均通过弹簧来模拟。研究了“檩条一覆板系统”在风载作用下的屈曲行为，其中覆板对檩条的作用作为连续约束来考虑；研究了受自重多跨檩条在覆板约束作用下的行为并提出了对应的设计方法；离散约束主要是由撑架或弹性支座产生，在工程实际中具有一定的普遍性。有人研究了槽钢和Z型钢梁在横向离散约束作用下的挠曲强度和变形，最小余能原理提出了一种分析受横向弹性支撑梁在节点集中载荷作用下的剪切和弯扭屈曲，研究了翼缘受横向固定约束和弹性约束作用下I型钢的屈曲行为，分析双对称H型钢粱受横向支撑的空间届曲，给出了受多个横向支撑单对称H型梁屈曲的一般解。最近，研究了跨中受横向钢架连接双平行梁的协同屈曲，对于塔式起重机的设计具有实际意义。由于目前应用于轻钢结构的薄壁构件截面型式各异，约束种类繁多，因此需要在该方向有更多的探讨，以期完善目前的轻钢结构设计规范。
参考文献:
[1] 高利河,牟在根,于亚伦.门式刚架在荷载作用下的优化设计[J].北京科技大学学报, 2001,(6) .
[2] 柳锋,郭兵,陈长兵,杜刚.门式刚架的经济尺寸与优化初设计[J].钢结构,2003,(1) .
[3] 刘惠敏,张中权.多跨门式刚架设计专家系统的研究[J].钢结构, 2004,(1) .
[4] 邱冬瑞,董宏英,刘佳.基于APDL进行门式刚架优化设计的程序开发[J].钢结构, 2008,(1) .
[5] 王秀丽,孙维,张彤,等.中小跨度变截面门式刚架参数分析及优化设计[J].甘肃科学学报, 2007,(2) .
[6] 刘鹏.门式刚架的优化设计[J].工业建筑, 2001,(7) .
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[关键词] 门式钢架结构 基础地脚螺栓 薄壁型钢构件稳定性
门式钢架结构广泛应用于现代轻型房屋的设计中，但是现实生活中有时会出现垮塌的现象，不但带来巨大的经济损失更会危及到人民群众的生命财产安全，作为结构设计者，应当从多角度分析垮塌原因，在设计和施工中做好相应的工作，避免此类现象的发生。
1.门式钢构的定义及常见垮塌原因
门式钢构：是指整个建筑物采用预制构件，即主钢架为焊接型或热轧型钢，次构件多为冷弯薄壁型钢，维护系统为保温复合板或单层压型钢板，并根据建筑物造型或使用功能的要求配合以门窗、夹层楼面、吊车、雨棚、封盖、内隔墙、自然采光、通风设备等而形成的整个建筑体系。广泛应用于各类工业厂房及民用住宅、特点是建造速度快、造价经济和宽敞的内部使用空间即优良的抗震性能。
一般情况下，主钢架有严格的建造工序及加工工艺标准，不会出现太多的问题，常见的垮塌原因有两种：基础地脚螺栓安装不铅直到位；薄壁型钢构件稳定性差。
2.基础地脚螺栓
（一）钢板模具固定法
工艺流程：准备工作→钢板放线→两块钢板点焊在一起→钢板钻孔→钢板模具组装→检查校正→螺栓组装
（1）钢板模具制作：根据螺栓的相对位置首先在钢板上放线，螺栓孔的相对位置即每个钢柱螺栓的相对位置，将两块钢板点焊在一起，放在台钻上进行钻孔，孔的直径比螺栓直径大1mm。
（2）在螺栓孔中插入地脚螺栓，根据地脚螺栓长度（地脚螺栓长度为：810、870、900），调整两块钢板之间的距离为400mm，用4Φ20的钢筋将两块钢板临时固定，然后，将螺栓拔出，用两个拐尺放在两个对角的孔上检查上下孔的垂直度，最后将钢板与钢筋焊接牢固，这样钢板模具制作完成。
（3）在已经制作好的钢板模具上倒插入地脚螺栓，在地脚螺栓的上部两次交叉点焊，这样地脚螺栓的组装工作就已经完成。
（二）竹胶板模具固定法
工艺流程：准备工作→竹胶板放线→两块竹胶板钉在一起→竹胶板钻孔→木方制作→竹胶板木方组装→竹胶板安装模具
（1）用钢板模具制作的同样方法制作两块竹胶板。
（2）用两根长度比基础柱截面尺寸长300mm的木方，先将两块木方放在平刨机上将两个木方的四面刨平且顺直，然后如上图所示在两个木方上开口，将两个木方合钉在一起，并检查两个木方是否垂直。
（3）木方与竹胶板组装时，竹胶板上的轴线必须与木方的其中一边重合，这样木方的边缘即为地脚螺栓的轴线。
（4）将木方边缘必须与基础柱模板上所画的轴线点（四个点）对准，然后将螺母在丝杆上拧紧来控制标高，再将两根木方与柱模板用铁钉及铁板卡子固定牢固。这样螺栓的安装工作已经完成。
（三）槽钢模具固定法
（1）按地脚螺栓的尺寸及标高，焊好#10槽钢架子。
（2）在土建进行柱钢筋绑扎前，把10＃槽钢架子按照复核好的轴线放在在承台中间预留的钢筋上，用水准仪看好标高，确认后将架子焊死在钢筋上；将预埋螺栓吊至槽钢架子上，复核好轴线位置，并将上口标高误差控制在-5mm以内；再用钢管从铁板下侧穿过，和钢管架子上的平行钢管夹牢。
（3）全部固定后再次对其复核轴线，及时调整在施工过程中出现的轴线偏差；再通过槽钢架子上的M16螺栓对预埋螺栓的标高进行微调；在钢筋绑扎时，应避免直接接触到预埋螺栓及相连的槽钢架子及钢管架子；钢筋绑扎完毕后，必须再次对预埋螺栓的位置及标高进行复测，一旦发现偏位现象，立即调整至原位；待全部验收合格后，立即对螺栓进行保护措施。用黄油将螺栓涂一层，再用塑料管套上固定好。
3.薄壁型钢构件稳定性
3.1 薄壁型钢受弯构件稳定性的设计理论
国内外薄壁型钢的设计一般采用基于板的大挠度方程的有效宽度法。即认为板件在达到极限承载力时，除了两侧宽度各为b/2的应力达到屈服强度外，中部宽度为b—be的板完全不承担压力(b为板件宽度，be为板件有效宽度)。然后由有效宽度确定计算其他承载力的有效面积和截面特性。薄壁型钢的有效宽度是根据支承条件确定的，一般分为筒支、卷边和自由三种情况。事实上，由于板的屈曲和受力条件、板件尺寸、初始缺陷等多种因素相关，因而确定板件的有效宽度较为复杂。尤其随着薄壁型钢构件截面形式的不断优化，利用有效宽度法设计薄壁构件的过程变得更加繁琐。为了适应新的设计要求，提出了直接强度法这一新的薄壁构件稳定性计算方法，即通过直接削弱截面板件的厚度和所能承担的应力，利用相关软件较为简便地确定具有复杂截面影式的冷弯薄壁型钢构件的承载力。但是，最近的研究结果指出，在某些情况下，直接强度法的精度低于等效宽度法，而且，直接强度法仅限于预测构件截面形心无变化的特殊情况。
3.2薄壁构件稳定性的研究进展
3.2.1弯扭屈曲
迄今为止，人们对构件局部屈曲、整体屈曲以及它们的耦合屈曲及相关作用，均已有了较为深入的研究并在世界主要的轻钢结构设计规范中初步形成了较为完善的设计准则。弯扭屈曲在薄壁构件的稳定性研究中占有非常重要的地位。最初描述了这一现象之后，尽管很多学者进行了不懈的探索，依然没有很好解决，因此弯扭屈鲢成为近年来薄壁结构领域的研究热点之一。基于弹性理论基本微分方程，首先得到了轴压薄壁钢柱弯扭屈曲的显式解，之后解析求解了薄壁钢梁在弯曲作用下的弯扭屈曲问题，最近报道了关于带凸缘的c型钢和z型钢在弯曲积轴压作用下弯扭屈曲的解析结果。利用有限元方法对T型悬臂梁的弹性弯扭屈曲进行了研究并对工字型连续梁的弯扭屈曲作了探讨。利用有限元方法分析了横向载荷作用下Z型和∑型薄壁梁的非线性稳定性并与试验结果作了比较，两者计算结果较为接近。利用有限条法分析后发现：弯扭屈曲比其余各种屉啦模态对缺陷更为灵敏，而且弯扭屈曲的后屈曲性能弱于其余屈曲模态，同时也提出了类似的手算方法。广义梁理论的提出和应用使人们对薄壁型锅构件的弯扭屈曲有了更深入的认识。但是所有目前这些研究尚未形成被人们普遍接受的设计规范，因此进一步深入的研究弯扭屈曲对于指导工程实际具有非常重要的意义。
3.2.2非线性屈曲
经过多年的实践积累，极限设计的概念已经深入人心，如何有效和用构件的塑性储备，减少工程造价，是人们越来越关心的问题。对于薄壁构件稳定性问题的非线性分析，近年来得到了工程界的高度重视。用有限元法对弯扭组合作用下开口薄壁梁的非线性稳定问题进行了系统研究。利用有限元方法研究了矩形、槽型截面梁的非线性屈曲。非线性屈曲问题是一个非常复杂的艰深课题，研究难度相对较大，但工程设计的急需又使得该方向的研究非常迫切。
3.2.3复杂约束作用下的屈曲
随着工程设计精度要求的不断提高，实际结构设计中越来越强调整体设计的思想。因此骨架一附属结构系统的整体稳定性与单个构件稳定性的差异，亦即附加约束对骨架结构强度和刚度的影响程度，日益受到人们的关注。附属结构对稳定性的影响主要体现在对骨架结构的横向约束上，通常有连续约束和离散约束两种形式，目前这两种约束一般均通过弹簧来模拟。研究了“檩条一覆板系统”在风载作用下的屈曲行为，其中覆板对檩条的作用作为连续约束来考虑；研究了受自重多跨檩条在覆板约束作用下的行为并提出了对应的设计方法；离散约束主要是由撑架或弹性支座产生，在工程实际中具有一定的普遍性。有人研究了槽钢和Z型钢梁在横向离散约束作用下的挠曲强度和变形，最小余能原理提出了一种分析受横向弹性支撑梁在节点集中载荷作用下的剪切和弯扭屈曲，研究了翼缘受横向固定约束和弹性约束作用下I型钢的屈曲行为，分析双对称H型钢粱受横向支撑的空间届曲，给出了受多个横向支撑单对称H型梁屈曲的一般解。最近，研究了跨中受横向钢架连接双平行梁的协同屈曲，对于塔式起重机的设计具有实际意义。由于目前应用于轻钢结构的薄壁构件截面型式各异，约束种类繁多，因此需要在该方向有更多的探讨，以期完善目前的轻钢结构设计规范。
参考文献:
[1] 高利河,牟在根,于亚伦.门式刚架在荷载作用下的优化设计[J].北京科技大学学报, 2001,(6) .
[2] 柳锋,郭兵,陈长兵,杜刚.门式刚架的经济尺寸与优化初设计[J].钢结构,2003,(1) .
[3] 刘惠敏,张中权.多跨门式刚架设计专家系统的研究[J].钢结构, 2004,(1) .
[4] 邱冬瑞,董宏英,刘佳.基于APDL进行门式刚架优化设计的程序开发[J].钢结构, 2008,(1) .
[5] 王秀丽,孙维,张彤,等.中小跨度变截面门式刚架参数分析及优化设计[J].甘肃科学学报, 2007,(2) .
[6] 刘鹏.门式刚架的优化设计[J].工业建筑, 2001,(7) .
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文