门式刚架结构的特点、适用范围及常用形式

轻型门式刚架是梁柱采用刚性连接的单层钢结构，其具有结构简单、自重轻、受力合理、施工方便等特点，并便于工厂、标准化的加工制作。

门式刚架的适用范围为轻型工业建筑，无桥式吊车或仅有起重量不大于20t的中、轻级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。由于门式刚架构件板件厚度较薄，其不宜用于较强腐蚀介质的环境中。  

门式刚架根据结构类型可分为单跨（图3-1a）、双跨（图3-1b）、多跨（图3-1c）刚架以及带挑檐的（图3-1d）和带毗屋的（图3-1e）刚架等形式。多跨刚架中间柱与斜梁的连接一般采用铰接，多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖（图3-1f），必要时也可采用由多个双坡屋盖组成的多跨刚架形式（图3-1g）。 其梁柱截面可为等截面或变截面，柱脚一般为铰接或刚接。

一、 建筑物长与宽的选择  

    一般来说，在布置柱网时应遵循长度大于宽度的原则，能减轻刚架用钢量，同时也能减少柱间支撑的风荷载，从而降低支撑系统的用钢量。  

例1：建筑物尺寸为60x50m,则在布置厂房时应将60m作为长度方向，50m作为跨度方向，即：60(L)x50（W），而不是50（L）x60(W).

二、 柱距选择

技术经济比较表明，标准荷载作用下的最经济柱距是8～9m，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。这里标准荷载是指：屋面活载0.3KN/m2，基本风压0.5KN/m2，当荷载更大时，经济柱距应相应减少。对于带有10吨以上行车的厂房，经济柱距应该是6～7m。  

在布置柱距时，如需采用不等柱距时，应尽量将端跨柱距布置得比中间跨小，这是由于端跨风荷载要比中间跨大，另外在采用连续檩条设计时，端跨的挠度及跨中弯距总是比其他跨要大。采用较小的端跨能使屋面檩条设计更方便节省。  

例1：建筑物长度 = 70m  

经济柱距可取：1 @ 7 + 7 @ 8 + 1 @ 7  或者1 @ 8 + 6 @ 9 + 1 @ 8

例2：建筑物长度 = 130m ，行车10吨  

经济柱距可取：1 @ 5.5 + 17 @ 7 + 1 @ 5.5  或者20 @ 6.5  

三、合理跨度的确定  

不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度。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。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。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之间的刚架单位用钢 量（Q345-B）为10-15kg/ m2，当跨度在21-48m之间的刚架单位用钢量为12-24kg/m2 ，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约40%以上，因此设计门式刚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。  

四、屋面坡度选择  

屋面坡度需要按照屋面板的构造与排水坡面长度及柱结构高度等综合因素考虑确定，一般取1/10~1/30。研究表明不同的屋面坡度对刚架的用钢量有较大的影响。    

以下为我们通过对单跨42m，檐口高度为6m的在不同屋面坡度下的用钢量进行计算分析得出的结果，

当屋面坡度为 0.5:10 时，一榀框架重量为：3682 Kg

当屋面坡度为 1.0:10 时，一榀框架重量为：3466 Kg

当屋面坡度为 1.5:10时，一榀框架重量为：3328 Kg

当屋面坡度为 2.0:10时，一榀框架重量为：3240 Kg  

可以看出，对于单跨刚架，一种较好的减少刚架重量的方式是增大屋面坡度，坡度越大用钢量越节省。  

然而对于多跨框架来说情况就不同了，坡度大反而会增加框架用钢量，这是由于大的坡度将导致内柱长度增加。当建筑物跨度较大时，坡度增加能降低屋面钢梁的挠度。  

通过研究计算，较经济的坡度为：

多跨建筑：1:20  

单跨，跨度小于45 m： 0.5:10

单跨，跨度小于60m：1.5:10  单跨，跨度大于60 m：2.0:10  

实际上，屋面坡度的选取还与建筑有无女儿墙有关系，坡度则增大将会导致女儿墙造价的增加。  

五、檐口高度选择  

檐口高度对造价影响较大，主要表现为以下几个方面：  

1．檐口高度增加将导致墙面板面积增加，墙面檩条增加，同时柱的用钢量也将增加；  

2．如果钢柱无侧向支撑（如中柱，或边柱无法设置隅撑），则檐口高度对框架重量影响将更为突出；

3．檐口高度增加，将导致作用在框架上的风荷载增加。如果檐口高度/建筑宽度>0.8，为控制侧向位移，有时甚至需要将柱脚由铰接改为刚接。  

檐口高度由以下因素决定：

1． 檐口处的净高要求；  

2．有夹层时，夹层的净高要求及夹层梁高度；

3．有吊车时，吊车梁及吊车吊钩高度。

六、温度区段  

根据轻钢规程，最大纵向长度不大300m，横向不应大于150m。纵向温度区段的伸缩缝设置可采用双柱布置（图3-2a），或者将檩条连接采用椭圆孔的单柱伸缩缝(图3-2b)。  

这里需要说明的是规程所规定的最大长度并非是所有建筑都允许所能达到的长度。对于不同建筑，应根据建筑物本身的使用条件，所在地的自然条件，根据计算所能出最大的温度区段。

七、 支撑布置  

（一）支撑的作用  

在门式刚架柱网的每个温度区段间，应布置完整的支撑体系，以形成完整的空间结构体系。轻型门式刚架沿宽度方向的横向稳定性，是通过刚架的自身刚度来抵抗所承受到的横向荷载而保证的。由于在长度方向的纵向结构刚度较弱，需要沿纵向设置支撑，以保证其纵向稳定性。支撑所受力主要是纵向风载、吊车刹车力和地震作用以及温度作用等；计算支撑内力时一般假定节点为铰接，并忽略偏心的影响，并且一般的支撑都是按拉杆考虑。所以，一般适宜双向布置。

（二）支撑的常见类型  

图3-3显示了屋面支撑的一般布置方式及作用在山墙上的风荷载的力的传递路径。轻型门式刚架常用的柱间支撑类型见图3-4。由于建筑功能及外观要求，或者工艺设备布置，上述支撑都不允许使用时，可考虑使用纵向框架。这时需要利用柱弱轴的抗弯刚度。

（三）支撑设置的基本原则  

1．尽管有的屋面板有一定的蒙皮效应，但这种作用目前还很难去量化，因此在设计支撑时还不能考虑这种蒙皮效应；  

2．柱间支撑应尽量与屋面支撑设在同一跨，当由于墙面有门洞而无法设置时，可以将柱间支撑设在临跨;  

3．通常来说，支撑的间距一般不宜超过5跨；当无吊车时宜取30~45m，有吊车时，间距一般不宜大于60m；  

4．屋面支撑需要在屋脊处断开。（见图3-3）

5．以下情况需要考虑设置纵向水平屋面支撑  

（1）当有抽柱时，如局部抽柱，仅局部设纵向支撑即可，见图3-5a；

（2）当柱距较大，边柱采用假墙架柱的方案时，见图3-5b；

（3）吊车吨位大于15吨，且带有驾驶室。

6．当建筑宽度大于60m时，在内列柱宜适当增加柱间支撑，当不能布置交叉支撑时，可采用图3-4b，3-4c的支撑形式。也可以不增加内部柱间支撑而采取加大屋面支撑或柱间支撑的规格的方式，此时需要严格进行内力计算，确保支撑受力安全。  

7．在同一柱列，不应将不同类型的支撑混用，否则刚度小的支撑受力小，起不到应有的作用，而刚度大的支撑由于超负荷工作而破坏。柱间支撑应优选选择使用交叉支撑。  

8．下列情况柱间支撑需要分层设置。  

（1）当有高低跨时（或带有通长大雨蓬时），需要在高低跨处（或大雨蓬处）分层设置柱间上支撑和下支撑（见3−6a)；  

（2） 当檐口高度大于9m,可根据支撑的夹角设置双层柱间支撑，交叉支撑与水平面的夹角以45°为佳，不宜大于55°；  

（3）有吊车时，需在吊车梁处分层设置柱间上支撑和下支撑。端开间可不设下层支撑以减少吊车梁的温度应力（见3−6b)。

9．柱间交叉支撑可选用张紧的圆钢、角钢或圆（方）管，当柱间支撑所承受的内力较大或厂房吊车吨位大于5吨，不宜使用圆钢支撑，此时可采用角钢支撑或圆（方）管支撑。

（四）隅撑的作用与设置  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，是因为刚架斜梁的受力的变化。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，上翼缘的稳定可以保证。但是在受到风吸力荷载作用时时，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，因此需 要在梁的下翼缘上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。隅撑通常为隔道设置，所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距。隅撑的做法参见图3-7。