何嫣然
中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210019
摘要：随着我国钢结构理论技术的完善和钢材性能的不断提高，单层门式刚架结构在工业厂房设计中得以广泛应用，特别是单层大跨度工业厂房。本文通过工程实例进行计算分析，提出门式刚架结构设计要点，为结构设计优化提供参考。
关键词：门式刚架；工业厂房；优化设计
前言
工业厂房设计中常采用钢结构，具有重量轻、柱网布局灵活、技术连接方便等特点，尤其是门式刚架结构厂房在实际生产应用中具有突出优势。为更好发挥其优点，应在设计中保证结构安全性能的同时进一步优化设计，提高质量。
1 门式刚架结构特点
门式刚架自重轻、刚度大，构件现场组装，工业化程度高，施工周期短，为制作、运输、安装提供了有利条件。门式刚架的梁、柱构件多采用变截面形式，用钢量可达普通钢结构的1/5~1/10，经济效益显著。同时可以有效利用建筑空间，配合墙面和屋面轻型维护结构，建筑造型美观。屋面通过檩条、隅撑体系来保证整个屋面的整体性，可采用张紧的圆钢作为屋面支撑，布置轻便。但由于多采用薄壁型钢，对构件的制作、涂装、运输及安装要求较高。同时，钢结构普遍存在耐腐蚀性和耐热性差等缺点，应注意维护。目前，我国对门式刚架结构应用较为广泛，包括各种轻钢厂房、大型物流仓储、大跨展厅、活动房屋等。
2 门式刚架设计要点
2.1结构布置
门式刚架主要由刚架梁、柱、抗风柱、屋面和墙皮檩条、支撑构件及屋面板、墙面板以及连接檩条的系杆等组成。刚架跨度一般为9m~36m，柱距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及工艺要求等因素，宜取6m，9m，12m等。此外还应考虑温度分区，纵向长度不大于300m、横向长度不大于150m为一个温度区段。一般而言，当厂房跨度在15m以内时宜采用等截面刚架形式；反之则可采用变截面形式。此时梁、柱截面形状和内力图较为吻合，受力合理且节约用钢量，但在加工制造和连接方面相对复杂。
门式刚架梁、柱节点采用刚接形式。为便于现场拼接安装，通常采用外伸式端板连接。柱脚可采用铰接和刚接两种形式。当采用铰接柱脚时，基础相对较小，而屋面梁端弯矩较大，此时可做成变截面柱；当采用固接柱脚时，一般柱为等截面柱，基础尺寸大。当水平荷载较大，檐口高度较高或有中级、重级工作制吊车时，柱脚应采用刚接，其余宜采用铰接形式。
2.2支撑体系
柱间支撑和屋面支撑对于单层工业结构的稳定性非常重要。厂房横向刚架在纵向支撑的连接下形成空间整体稳定性。在厂房各温度区段内应布置完整且独立的支撑体系，柱间支撑应布置于所有柱列。设置柱间支撑的主要原则如下：（1）宜在温度区段两端设置，且间距30~45m设置一道柱间支撑；（2）有吊车时应在温度区段两端和中部设置上柱柱间支撑，在中部对应位置设置下柱支撑；当厂房温度区段较长时，可在三分点处设置柱间支撑；（3）下柱支撑下节点的位置和构造措施应确保将地震作用直接传给地基。屋面支撑一般在温度区段两端设置，多采用交叉支撑形式。无吊车及非地震区可采用张紧的圆钢，其他情况宜采用型钢截面。屋面纵向水平支撑应根据纵向地震作用、纵向刹车力及风荷载酌情布置。此外应在屋脊、柱顶处沿厂房纵向设置通长的刚性系杆。门式刚架体系还有个特殊的支撑构件：隅撑。一般在屋面梁、柱与檩条之间设置隅撑，以满足梁、柱受压翼缘的侧向稳定要求。可按檩距2~3倍设置一道双侧隅撑。
2.3荷载计算
门式刚架设计时应考虑的主要荷载包括结构自重和雪荷载、风荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载等可变荷载及地震作用。
通常门式刚架结构屋面活荷载较小，起控制作用的多为风荷载，且不同部位风荷载体形系数取值不同，尤其是半封闭型门式刚架厂房，其角部和边缘区域的风荷载体形系数较大，设计时应有针对性地进行荷载计算和控制。
2.4屋面檩条计算
屋面檩条包括抗弯强度、抗剪强度、整体稳定性及挠度计算，其中起控制作用的多为稳定因素，这主要跟屋面板的形式及拉条布置有关。目前屋面多采用压型钢板，通过自攻螺丝与檩条可靠固定，可认为屋面板能有效约束檩条受压翼缘，阻止其发生扭转和侧向失稳，可不对檩条进行整体稳定计算。而在沿海地区，基本风压较大，在恒荷载和风吸力作用下，檩条下翼缘易发生受压失稳；而在恒载和活载作用下，檩条上翼缘较容易受压失稳，可以采用双层拉条的形式保证其稳定性，虽然施工上稍有繁琐，但较增大檩条截面要经济得多。
2.5抗风柱设置
抗风柱在使用中承受墙面板恒载及水平风荷载。考虑到压型钢板自重较小，计算时可将抗风柱简化成竖放的梁，柱脚一般与基础铰接，但当柱计算长度较长且风压较大时，为满足其侧向挠度要求，可采用刚接柱脚。设计时允许抗风柱与刚架之间产生相对位移，柱顶常采用弹簧板与刚架梁进行连接。
3 门式刚架结构设计优化
门式刚架的优化包括结构布置、材料选型、构件截面等方面。结构布置上的优化可以从屋面通风、天窗架形式等因素着手，配合结构构件的布置，尽量减少冗余设置；为减小屋面变形，防止漏水，延长使用寿命，屋面坡度的合理设计也是一个方面。对于构件计算，主要包括几个方面：构件抗弯强度和抗剪强度可以分别通过加大截面高度和腹板厚度来保证；构件平面内的稳定可以通过增加截面高度或增大翼缘厚度从而增加平面内惯性矩来满足；而平面外的稳定性则跟构件长细比有关，可以增设侧向支撑点来减小计算长度。此外，当构件承受集中荷载或局部承载时，可以合理设置加劲来保证构件的局部稳定。总之，应在保证结构承载力的前提下尽量简化结构构造和构件尺寸，通过对比不同方案控制成本。
4 工程实例
4.1工程概况
以南钢饱和蒸汽发电项目为例，主厂房为单层门刚结构厂房，双坡屋面，跨度15m，高度19.3m，厂房总长度27m，沿屋脊方向设置天窗；厂房内设32/10t桥式起重机一台。结构设计使用年限50年，建筑抗震设防类别丙类，建筑场地类别为Ⅱ类；建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度7度，加速度0.10g，地震分组第一组。厂房火灾危险性分类为丁类，厂房耐火等级为二级。基本风压0.40kN/m2,地面粗糙度类别B；基本雪压0.65kN/m2；屋面活荷载0.5kN/m2。
4.2刚架结构分析
刚架梁截面HN650x300，刚架柱截面WH900x350x12x22,计算得到屋面梁应力比：上翼缘受拉0.75，整体稳定应力0.40，下翼缘受拉0.45，剪应力0.15；刚架柱应力比：下柱强度0.72，平面内稳定性0.61，平面外稳定0.75；上柱强度0.37，平面内稳定性0.32，平面外稳定0.34，均满足要求。吊车刹车水平位移1/1173；柱顶最大水平位移H/524；满足规范要求。由于厂房纵向长度不大，仅在中间设置一道上、下柱间支撑，在第一和最后柱间各设置一道上柱柱间支撑。根据火灾危险性分类，厂房钢柱及柱间支撑耐火极限2.5h，梁及支撑系杆耐火极限1.5h，要求除锈后刷红丹醇酸防锈底漆二道，干漆膜厚度≥70μm，配色超薄型防火涂料。为保证钢结构的正常使用，应定期维护，并应制定有效清灰制度。
结语：
对于门式刚架设计，应根据结构使用环境、荷载类型等合理选材，确定结构布置方案，选定构件截面进行受力分析，确保结构设计的安全可靠；并通过调节相关设计参数对结构进行优化，方便施工的同时节省用钢量，达到经济适用的目的。
参考文献：
[1]陈涛.门式刚架轻型房屋钢结构经济性探索[D].重庆，重庆大学，2019.
[2]赵建平.变截面门式刚架结构分析与优化设计[D].山东大学，2013.