陈柏宇
云南正元安泰建设工程设计咨询有限公司，云南 昆明，650228
摘要：门式刚架是典型的轻钢结构，具有受力简单、用钢量低、结构轻盈、施工周期短等特点，因此广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。本文就门式刚架基础设计选型、节点设计、支撑体系三个方面的有关问题进行简单的探讨。
关键词：门式刚架；基础设计选型；节点设计；支撑体系
引言
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（GB 51022—2015）》（以下简称《门规》）的定义，门式刚架轻型房屋是指承重结构采用变截面或等截面实腹刚架，围护系统采用轻型钢屋面和轻型外墙的单层房屋。从定义可以看出，门式刚架为两部分组成：第一部分为刚架梁与刚架柱组成刚架，第二部分为檩条和墙梁作为基本骨架与压型钢板组合成屋面和墙面围护结构，并与支撑系统形成的一个共同空间受力的体系。第一部分刚架可根据荷载导荷按单榀门刚计算设计，可解决横向主刚架传力的设计，而第二部分维护系统更多为构造设置，但这部分更为重要，首先可以确保横向刚架的平面外的稳定，其次为纵向的主要传力体系，最后与横向刚架、檩条及墙、屋面形成整体空间受力体系。门式刚架起源于美国，经历了近百年的发展，现在在我国已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系，本文仅从门式刚架基础设计选型、节点设计、支撑体系三个方面进行简单探讨。
1 基础设计选型
当门刚柱脚为刚接时，基础将沿主刚架方向承担较大弯矩；同样当柱脚为铰接时，基础底将沿主刚架方向也会存在弯矩，此弯矩为主刚架柱脚剪力对基础埋深为力臂求取的力矩。由于门式刚架跨度较大，在跨度方向无法设承台梁平衡基础弯矩，因此对天然基础及桩基基础均存在以下问题：首先，天然基础，应按弯矩作用的大小，设计为矩形承台，长边应对应主刚架方向布置，且应设置基础顶面筋，利用地基反力平衡弯矩作用；其次，对于桩基基础，小直径桩基需布置群桩平衡基础弯矩，比如在弯矩方向布置两桩以上的桩数；大直径桩，如：人工挖孔桩、旋挖灌注桩等则可布置为单桩基础，由桩身抗弯承载力平衡基础弯矩。基于上述分析，尤其对于管桩等抗弯承载力较弱的小直径桩，不应采用单桩基础。
2 节点设计
在门式刚架轻型房屋钢结构的设计中，通过荷载导荷按规范要求进行构架承载力及稳定验算基础上，还需重视结构构件连接节点的设计，门式刚架构件连接节点包含：柱脚节点、梁柱节点、梁拼接节点，这些节点的设计直接决定了结构的稳定性，且从抗震概念出发也存在“强节点弱构件”机理，因此在设计中应足够重视。
（1）柱脚节点。门式刚架可分为刚接及铰接两种形式的柱脚连接做法，这两种柱脚很明显的区别就是对侧移控制。当有较大的吊车荷载、门式刚架过高或对刚架的刚度及侧移有严格要求时，则采用刚接柱脚。笔者曾设计过21米高的门式刚架，铰接柱脚根本无法满足侧移及钢柱稳定验算，最终选择了外包式的刚接柱脚才满足相关规范的要求。除上述对侧移有控制要求的情况外，常规均采用铰接柱脚的形式，铰接柱脚方便制作和安装，且有更好的经济效应，对应的柱截面能按弯矩图设计为变截面形式，且传至基础的内力仅为轴力和剪力，不存在弯矩，有利于基础设计，可以减少基础造价。柱脚锚栓不宜承受柱脚剪力。此水平剪力可由底板与砼基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受，因此尤其铰接柱脚，建议均增设抗剪键，可以作为一定的安全储备。
（2）梁柱节点。抗风柱与上横梁均为铰接做法；主刚架的梁、柱连接均为固接，基本均为端板固接，端板连接应按照所受的最大内力设计。当内力较小时，应按能够承受不小于较小被连接件截面承载力的一半设计。构件的连接宜采用高强螺栓，对于承受动荷载（吊车）时，应采取高强摩擦型螺栓连接。
梁柱节点域板件的过度变形会影响节点刚度，从而降低计算模型的准确性，对构件强度和结构变形造成不利影响；未经加强的节点域板件在复杂应力下甚至会发生破坏，一般通过增加节点域加劲板或额外增加该区域板件厚度来加强节点域承载能力，节点域剪应力应按《门规》第10.2.7条规定进行验算。
（3）梁拼接节点。梁拼接节点一般也均为端板固接，连接方式与上述的梁柱拼接类似，不同之处在于拼接节点设置的位置，位置的设置一般出于两点考虑：根据梁的弯矩和梁截面能运输的最大长度。门式刚架的梁为跨度L上的两端固接构件，其反弯点的位置一般为1/3～1/4L，因此在该位置上设置拼接节点，可以有效的节省螺栓数量便于安装。钢构件的一般能运输的最大单元长度为12m左右，因此设置设置拼接节点应结合此运输单元长度综合考虑。
3 支撑体系
支撑体系为门式刚架一个重要的组成部分，主要作用为传递纵向水平力和形成一个整体的空间体系。按《门规》第8章支撑系统可分为：柱间支撑、屋面支撑、隅撑三个部分，简单探讨如下：
（1）柱间支撑。柱间支撑的机理为：门式刚架长向纵向结构刚度较弱，于是需要沿建筑物的纵向设置支撑以保证其纵向稳定性。支撑系统的主要目的是把施加在建筑物纵向上的风、起重机、地震等荷载从其作用点传到柱基础最后传到地基土里。同时，根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102 2002(2012年版)）（下简称《门规程》）第4.5.6条规定，当不允许设置任何柱间支撑时，可设置纵向刚架；从这可看出，纵向柱间支撑的作用类似于纵向的刚架或框架体系。柱间支撑的设计可按《门规》第8.2节执行，不再赘述。有两点需充分重视的问题：第一，柱间支撑必须与屋面支撑设置在同一柱距跨度内，才能形成一个整体性较好的局部刚域；第二，柱间支撑一般情况下优选张紧的圆钢交叉支撑，但当建筑使用功能需求时，可更换为人形支撑、门式支撑等形式，其次当有较大的水平力时，应选用型钢交叉支撑，如：有吊车、门式刚架高度较高、风荷载或地震力较大等，笔者曾设计过21米高的门式刚架，最终的柱间支撑采用了双层型钢交叉支撑形式。
（2）屋面支撑。屋面支撑的作用是把山墙风荷载传递到设有柱间支撑的屋面梁上，通过屋面梁再传给钢柱和柱间支撑，最后传到基础和地基上。水平支撑的构件截面大小主要决定于纵向水平力作用，须经受力计算来确定，因此《门规程》第4.5.2.7条规定，吊车吨位较重时，应在屋盖边缘增设纵向支撑桁架。屋面支撑布置可按《门规》第8.3节执行。需注意屋面支撑的布置应结合柱间支撑及刚性系杆一起布置，刚性系杆一般布置在刚架转角和屋脊联结处，是增强结构整体性的构造措施。
（3）隅撑。《门规》第5.1.1条规定，主刚架斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘平面外的稳定性，应由隅撑保证。因此可以认为隅撑的作用为保证构件的平面外的稳定性，减小构件平面外的计算长度，其设计可按《门规》8.4节规定执行。隅撑间距应符合避免翼缘板板件屈曲的条件和刚架平面外稳定性计算要求，主要按构造要求设置，取间距3m左右，结合檩条1.5m间距即每隔一个檩距布置一对隅撑。隅撑设置的位置可作为钢梁平面外的侧向支撑点位置，因此钢梁平面外计算长度可取3m，按此平面外计算长度控制，钢梁截面可有效地减小。
结语
本文结合作者以往设计经验，仅对门式刚架基础设计选型、节点设计、支撑体系三个方面进行了简单的探讨，其原因为主要的结构构件承载力验算均可由计算程序自动完成，而这三个方面问题则需设计人员具有完整门式刚架结构体系概念后，从设计机理、力学概念、空间构造等方面进行设计完善。本文旨在抛砖引玉，进行简单阐述探讨，可供相关设计人员作为参考。
参考文献
[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范：GB 51022—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.
[2]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程:CECS102 2002(2012年版)[S].北京：中国计划出版社，2003.