建筑结构 门式刚架轻型钢结构设计分析 摘要：门式刚架是轻型房屋钢结构的一种结构形式。门式刚架轻型钢结构设计不同阶段具有各自的特点，设计时应全面把握其 中的主要矛盾，根据结构设计的基本原则，采用合理的技术措施，使结构设计能实现安全、耐久、美观和经济的设计目标。本文以实 际工程为例，采用门式刚架轻型房屋钢结构设计规程，根据设计要求，针对带吊车门式刚架、吊车梁及基础的受力特点、设计方法， 进行结构设计分析，解决了设计中所遇到的问题。供广大同行参考。 关键词：门式刚架轻钢结构门式刚架吊车梁基础 １、工程背景 某某钢铁公司机修车间，其厂房轴线长度为１２０ｍ，共两跨，每跨２４ｍ，柱 距１２ｍ，建筑面积４７０６．６ｎｆ；每跨内设有一台１６ｔ桥式吊车（带驾驶室），中级 工作制，吊车轨顶标高８ｍ。自然条件如下：风荷载：Ｏ．６ｋＮ／ｒｄ，地面粗糙度： Ｂ类；雪荷载：０．６ｋＮ／ ；屋面活荷载：０．５ｋＮ／￣（受荷面积大于６Ｏ 时主刚 架为０．３ｋＮ／ｒｆ，檩条为０．５ｋＮ／￣；抗震设防烈度：８度（０．２ｇ），第三组，Ⅱ类场 地。 ２、设计要求 根据《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３）及《门式刚架轻型房屋钢结构 技术规程》（ＣＥＣＳ １０２：２００２）门刚规程相关规定：主刚架的挠度限值取其跨度 为１／１８０；风荷载作用下主刚架柱顶水平侧移限值取其计算高度的１／４００；对中 级工作制桥式吊车的吊车梁挠度限值取吊车梁跨度的１／１０００。围护结构参照 《门式刚架轻型房屋钢结构设计规程）（ＣＥＣＳ １０２：２００２），檩条挠度≤Ｌ／１５０，受 压杆件长细比≤１８０，吊车梁以下柱间支撑受压长细比￣＜２２０，吊车梁以下的 柱间支撑受拉长细比≤３００，其他受拉支撑长细比≤４００。 ３、结构设计方案 根据上述设计要求并结合本工程的特点选择如下结构方案。 ３．１主刚架柱为焊接工字型实腹式单阶柱；粱为焊接工字型实腹式变截 面梁，梁分段节点采用摩擦型高强螺栓连接；粱柱连接采用端板平放式；柱脚 采用插入式柱脚，根据《建筑抗震设计规范））（ＧＢ５００１１－２０１０），柱脚插入深度 不小于２．５ｈ（ｈ为刚架柱截面高度）。 ３．２吊车梁为焊接工字型实腹式截面梁。 ３．３檩条采用Ｃ形冷弯薄壁型钢，中间设拉条。 ３－４屋面支撑采用轻型结构常用的刚性系杆体系，考虑有吊车，在厂房中 间部位及边柱位置设置刚性支撑体系。 ４、结构设计分析 工程计算使用的软件为建筑科学研究院ＰＫＰＭ钢结构设计软件ＳＴＳ，计算 时按平面结构处理，以一榀刚架为单元，将刚架附属结构简化为荷载处理，既 突出主要的影响因素，又简化了计算。 ４．１荷栽及荷栽组合结构。 荷载包括永久荷载和可变荷载。永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在 结构上的非结构构件的重力荷载，如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架 自重等。可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施工和检修 集中荷载，其标准值为ｌｋＮ）、屋面雪荷载和积灰荷载、吊车荷载、地震作用、风 荷载等。荷载组合一般应遵从《建筑结构荷载设计规范》的规定，针对门式刚 架的特点，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》给出下列组合原则：（１）屋面 均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。（２）积灰荷载应与雪 荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑。（３）施工或检修集中荷载不与屋 面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑。ｆ４）多台吊车的组合应符合《建 筑结构荷载设计规范》的规定。（５）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作 用同时考虑。 ４．２刚架内力及侧移计算。 对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内力，只有当刚架 的梁柱全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。变截面门式刚架的内力通 常采用杆系单元的有限元法值接刚度法）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。变截面门式刚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。如果最后验算时刚架的侧移刚度 不满足要求，需采用下列措施之一进行调整：放大柱或（和）粱的截面尺寸，改 铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。 ４．３吊车梁设计 考虑轻钢结构的特点，吊车梁均采用实腹式等截面和变截面体系。根据 工业厂房的设计要求，吊车梁设计要验算强度、整体稳定、疲劳、刚度等指标。 根据《钢结构设计规范》（ＧＢ５００１７—２００３），当结构工作温度等于或低于０￣Ｃ但 高于一２Ｏ℃时，对Ｑ２３５钢应具有Ｏ℃冲击韧性的合格保证（ｃ级）。由于该项目 所在地冬季最低气温为一３７．５￣Ｃ，室内最低温度大于一２０％，所以，吊车梁用钢 应选用Ｑ２３５Ｃ钢。 ４．４檩条及墙梁设计 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。檩条应进行强度计算、整体稳定计算、变形计算。檩条尚应满足其 他相关构造规定。墙梁一般采用冷弯卷边槽钢，墙梁在其自重、墙体材料和水 平风荷载作用下，也是双向受弯构件。墙梁应尽量等间距设置，在墙面的上 沿、下沿及窗框的上沿、下沿处应设置一道墙梁。为减少竖向荷载作用下墙梁 的竖向挠度，可在墙粱上设置拉条，并在最上层墙梁处设斜拉条将拉力传至 刚架柱。墙梁可根据柱距的大小做成跨越一个柱距的简支梁或两个柱距的连 续梁。 ４．５支撑设计 门式刚架结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中 的受压杆件及刚性系杆按压杆设计。刚架斜梁上横向水平支撑的内力，根 据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，并计人支撑对斜梁起减少 计算长度作用而承受的力，对于交叉支撑可不计人压杆的受力。刚架柱间 支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载按支承于柱脚的竖向悬臂桁 架计算，并计入支撑对柱起减少计算长度而应承受的力，对于交叉支撑可 不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑问可平 均分配。 ４．６基础设计 对于带吊车门式刚架轻钢结构厂房来说，由于钢结构自振周期较大，厂 房相对高度较低，而结构自重较轻，水平地震作用相对较小，水平控制荷载大 都为风荷载加吊车水平制动荷载。基础设计主要是受最大偏心距ｅ控制，即受 Ｍｍａｘ而Ｎ相对较小的工况控制，所以，在设计基础时首先应分析导致ｅ最大的 最不利工况组合。考虑吊车荷载与风荷载的作用方向的组合以及设计时吊车 台数等因素。钢结构厂房的柱脚可分为铰接柱脚和刚接柱脚两种。对于铰接 柱脚，基础只受轴心荷载作用，设计比较简单；对于带吊车轻钢厂房常采用刚 接柱脚，基础受到偏心荷载作用，偏心距ｅ为：ｅ：（Ｍ＋ｖｈ），（Ｎ＋Ｇ）式中：Ｍ一柱脚弯 距；Ｎ一柱脚轴向力；Ｖ一柱脚水平剪力；Ｇ一基础底面以上土重；ｈ－基础高度。根 据《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ ５０００７—２００２）确定基础截面尺寸。基础的控制 工况均为有风荷载参与作用的工况（无屋面活荷载，考虑一台和两台吊车作 用）。由于门式刚架轻钢房屋自重轻，一定要考虑有风荷载与吊车荷载作用的 工况，选择对基础产生最大偏心距来设计基础。 结束语 综上所述，在门式刚架结构设计中，要综合考虑各种因素、各个环节的影 响，合理选用荷载、结构构件、结构布置，以使设计更经济、可靠（下转第７３页） ‘７１。 建筑结构 ３无地下室建筑 ｆ１）若埋置深度较浅，可取基础顶面作为上部结构的嵌周部位。 口墨囝 四 ｒ嵌固部位是不妥的。拉粱层的设置将框架底层柱一分为二，使底层柱的配筋 较为合理经济，但笔者认为结构底部的嵌固部位应在基础顶面。 （２）若埋置深度较深，多层剪力墙或砌体结构当设有刚性地面时，可取室 参考文献 １１建筑抗震设计规范（ＧＢ５００１１－－２０１０）。 外地面以下５００ｒａｍ处作为上部结构的嵌固部位。上部结构为抗侧力刚度较柔 ｆ２】高层建筑混凝土结构技术规程（Ｊｃ，ｊ３—２０１０）。 的框架结构，采用柱下基础，基础又埋置较深时，可按照现行《建筑地基 【３１建筑地基基础设计规范（ＧＢ５０００７—２０１１）。 基础设计规范｝（ＧＢ５０００７—２０１１）第８．２．５条做成高杯口基础，满足表８．２．５对杯 【ｆ４１建筑抗震设计规范应用与解析（ＧＢ５００１１—２０１０）朱炳寅编著。 壁厚度的要求，此时可将高杯口基础的顶面作为上部结构的嵌固部位。 需要指出的是，多层框架结构无地下室采用基础，由于基础埋置较 作者简介：深，设计时在底层地面以下靠近地面设置拉梁层，将拉梁层作为上部结构的 王勇，高级工程师 ｃ上接第 ｔ页 ７结论 分析结果表明：在多遇地震作用下本工程结构的第一扭转与平动周期 比、最大层间位移角、扭转位移比等指标均符合现行规范的相关要求；设防地 篙 大震不倒”的抗震设防目标，同时最大限度满足建筑功能的要求。 弯能力和整体的刚度有非常大的影响。 参考文献： 篙翌等 以期望本工程的结构体系在遭遇地震作用时，能达到“小震不坏、中震可修、 （上接第６９页）七、结束语 钢管混凝土的组合柱有很好的承载力与抗变形的能力，但是在时效性和 …林晓伟．浅谈高层建筑框架核心筒结构设计ｏ１．中国新技术产品，２０１１（２４） ２］刘文．高层框筒结构中层高对侧向高度的影响分析 工程建设与设计 防火、防腐性方面存在缺陷。核 ｔｂ筒是框架核心筒的抗侧力主要结构，所以必 ［１） 须保证其整体性和刚度。在强烈的地震下，框架柱的破坏程度大于核心筒，所 ２０１１（３】尧国皇．某超高层框架一核心筒结构楼层舒适度分析叽四川建筑，２０１１（３） 以要调整框架柱关于地震的剪力。连粱是深梁的范畴。在进行正截面的承载 【４】何峭峰．浅析建筑工程框架核心筒结构设计ｏ］．中国新技术新产品，２０１１（１４） 力计算时，不应该按照杆系模型进行计算。连粱截面的选取对于核心筒的抗 【（上接第７Ｏ页）施加强： ６．严格控制底部越层柱及转换柱的柱轴压比，在设防烈度地震作用下 １．设计采用两种不同力学模型的空间分析软件进行结构内力和位移计 （第１水准），满足多遇地震作用下柱轴压比要求。其他斜柱在设防烈度地震作 算，以及弹性时程分析和动力弹塑性时程分析来进行补充分析，以确定结构 用下（第２水准），满足多遇地震作用下柱轴压比要求。 薄弱位置，并依此采取措施加强。 ７．加强转换层下部简体底部加强区的简体外围墙的配筋率。 ２．结构关键构件（转换柱、转换梁）采取比高规的建议更高一级的性能水 ８．砼墙柱截面沿竖向变化位置与核心筒上部收进楼层错开变化，以免增 准做为性能设计目标，转换梁结合应力分析计算设计；外框筒角部的八根斜 加结构竖向刚度突变程度。 柱在结构计算中，采取更严的特一级抗震计算。 ９．底部若干楼层的框架柱采用型钢砼柱，型钢含钢率在４％ １０％。 ３．结构三层层层间刚度比虽满足规范要求，但这层是转换层，因此采取 九、总结 薄弱层１．２５倍地震力放大系数。 ４．腰线层楼板厚度加厚为１８０ｍｍ，相邻上下两层的楼板厚度加厚为１５０ｍｍ； 本工程属于Ｂ级高度的超限高层，设计采用了两种不同力学模型的空间 外框筒与核心筒间梁高相比其他层适当加高，外筒柱间裙梁加宽；且适当提高 分析软件进行三水准抗震设计，计算参数和结果指标满足现行规范。针对结 楼板和梁的配筋率。腰线层楼板按弹性膜计算，考虑楼板及楼层粱的拉力。 构的薄弱部位采取了抗震构造措施加强。结构总体能达到Ｃ级抗震性能设计 ５．采取加大外框筒柱间裙梁的截面，以增强斜柱的侧向约束。 目标。 （上接第７１页）和合理。结构设计应遵守以下原则：（１）保证结构的整体性。门 式刚架属于平面结构，它们在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间 的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效 应。（２）明确各类外力从作用点到基础的传递路径和传递全过程中产生的效 应。（３）设计必须体现计算和构造的一致性。为了更安全、经济的设计门式刚 架，需要进一步研究设计与应用方面存在的问题，确保工程的设计质量，推动 门式刚架轻型房屋钢结构的进一步发展。 参考文献 【１］ＧＢ５００１７—２００３钢结构设计规范［ｓ】．北京：中国计划出版社，２００３ 【２］ＧＢ５０００７—２００２建筑地基基础设计规范［ｓ】．北京：中国建筑工业出版社， ２００２ ［３］李河．门式刚架设计与施工的若干问题探讨［Ｐ］．企业科技与发展，２ｍｏ（２ｏ） 【４］陈伟．门式钢架轻型房屋刚结构在实际应用中应注意的问题【ＰＪ．泸天化科 技．２ｍ２（ｏ２ ‘７３。
