天津市城市规划设计研究院建筑分院 天津 300201
摘要:简述轻钢门式刚架结构体系性能及特点，并结合工程实践，通过计算模型的建立，对比分析，特别对门式刚架结构体系中的支撑、挠度变位、连接节点等设计问题进行分析，以优化结构设计，降低工程造价。
关键词：轻钢门式刚架结构；柱角；支撑；变位
一、门式刚架轻钢建筑发展状况
20世纪90年代初以来，国外的轻钢结构建筑逐步进入国内建筑市场。由于适应面广，用钢量小，构件工厂化生产，工地拼接简便迅速，施工周期短，因而在国内建筑市场中的应用越来越广泛。特别是门式刚架，造型简洁美观，在各类民用与工业建筑中适应性较强，跨度可大可小，单跨多跨可不同组合。大跨度和多跨门式刚架结构可覆盖大面积的厂房、仓库各类公共建筑，其应用更为广泛。
门式刚架轻钢建筑是我国当前最常见和最受欢迎的轻钢建筑形式，在国内低层金属结构建筑中占垄断地位。门式刚架轻钢建筑在空间尺寸上，一般檐高为4.5～9.0m，并可适当加大，单体单跨宽以9～36m为宜，多垮可达100m以上；不设温度分区的单体建筑平面尺寸可做到长300m，宽150m，采用温度分区等构造措施后，理论上其平面布置可不受尺寸限制，能较好地满足人们对建筑的布局灵活，使用空间大的要求。
这种结构方案适宜于建造工业厂房、超市、仓库、飞机机库、农贸市场、餐饮娱乐设施、体育训练房、候车室、港口码头建筑以及各种临时建筑。
二、门式刚架轻钢房屋结构体系
人们对门式刚架轻钢结构的认识通常是感性的，建筑内部空间大结构主受力刚架截面尺寸小。主要指最常见的单层（含夹层）实腹式门式刚架轻型钢结构金属面板房屋，此系统各部分结构的受力特点及布置形式简介如下：
1.主刚架即门式刚架结构：门式刚架可布置为柱底铰接、柱底刚接、单跨、多跨、高低跨、带毗屋，屋面单坡、多坡，无夹层、有夹层，单体、多体等纷繁的结构形式。实腹式门式刚架根据所受外荷载计算出的弯矩图，为了节省钢材，钢柱、斜梁均可做成变截面，且满足结构体系承载能力要求。
2.门式刚架结构中的支撑体系：门式刚架结构需要采用各种可靠的支撑构件以加强结构的空间整体性和局部构件内力的有效传递。 支撑形式主要有：
（1）对角支撑 ：设置于屋面、纵向柱列间以及端墙， 用于传递风荷载和吊车荷载，采用两端带螺纹的圆钢和钢缆，亦可采用角钢；（2）隅撑：刚架受压翼缘的平面外刚度较小，用角钢连接于主刚架受压翼缘与围梁或檩条间，防止受压翼缘平面外局部失稳引起主刚架承载力降低；（3）特殊支撑：当侧墙因使用要求或屋顶不允许设对角支撑时，可采用管撑和门型、人字型、八字型、丫型等特殊支撑。
3.围护体系：门式刚架轻钢结构房屋建筑的墙体应采用轻质材料，墙梁优先选用成品的冷弯薄壁槽钢、卷边槽钢（C型钢）、卷边Z型钢。在柱网间距较大时，选用各种热轧和焊接型钢或托架，在跨中或1/3处设拉条。墙体主要有非自重式轻型墙体，如压型彩钢夹加轻型保温隔层墙体，压型彩钢夹芯板，玻纤增强水泥外墙板，玻璃幕墙等；自承重轻型墙体如空心砌体、加气砼块、钢网塑料墙体、轻钢龙骨加面板墙体等；屋面结构采用有檩体系，檩条选用成品型钢如前述，面板采用折皱波纹钢板、压型彩钢夹芯板等，或轻型桁架铺压塑采光板。
三、门式刚架轻钢房屋结构设计的若干问题
某汽车服务中心，檐高7m，跨度15 m，总长60m，柱开间9m,平面如图；基本风压荷载0.5KN/㎡, 基本雪压荷载0.4KN/㎡，抗震设防烈度7度。
1.屋盖、柱间的支撑和系杆
根据门刚规程CECS102:2002要求的布置原则：正确的支撑系统应能形成完整的传力路线。屋面横向水平支撑和柱间支撑布置在同一跨内以形成独立的空间支撑体系，当屋面横向水平支撑设在端部第二开间时，应在第一开间的相应位置设置刚性纵向系杆，是山墙的风荷载等水平力可靠传递。屋面支撑的布置应与山墙抗风柱的位置相协调，使抗风柱的柱顶反力直接传递到屋面横向支撑的节点上。
屋盖、柱间交叉支撑的直腹杆应按受压刚性系杆考虑，满足压杆构件的长细比要求。当檩条无法满足刚性直腹杆的作用时，通常应在屋脊处、柱顶处屋面设置纵向刚性系杆。在刚架转角处即边柱柱顶、多跨刚架中柱柱顶的纵向刚性系杆沿房屋全长设置，刚性系杆一般为钢管、型钢等。
2.横梁的挠度变形
为了不影响结构或构件的正常使用和观感，门刚规程CECS102:2002和钢结构规范GB50017-2003对结构构件的变形有具体规定。本工程刚架为单坡计算简图如下：
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使用中国建筑科学研院开发的STS软件计算时，对“恒+活 ” 标准值作用的挠度计算结果均给出绝对挠度和相对挠度两个计算结果。对于水平钢梁，二者的挠跨比计算结果一样，而对于单坡斜梁、山形屋脊双坡的情况，挠度与挠度比的计算完全不同。这时绝对挠度中的跨度是指横梁在相邻两柱之间的距离，如图中L=15000，计算最大挠度值与此跨度的比值控制挠跨比。相对挠度跨度是指横梁单坡坡面长度，如图中L=15019，梁在荷载作用下的相对挠曲值，以此跨度计算和控制。
为改善外观和使用条件，可将横梁构件预先起拱，起拱大小视实际需要确定，构件挠度取为在“恒+活 ”标准值 作用下计算值减去起拱度。
3.连接节点
主刚架构件的连接应采用高强螺栓。关于端板连接的高强螺栓受力计算，一般有两种算法。
算法1：假定中和轴在受压翼缘中心，受压翼缘的螺栓至少布置两排，计算时假定受拉翼缘的螺栓只承受拉力，受压翼缘的螺栓只承受剪力，并不计轴向力的影响，受拉翼缘的最上两排螺栓承受相同拉力。如果存在反向弯矩作用，还要验算原来受压区螺栓的抗拉是否满足要求。
算法2：假定中和轴在螺栓群形心，受拉翼缘和受压翼缘螺栓对称布置，至少布置两排，计算时，所有螺栓承受拉力和剪力，并不计轴向力的影响。
四、结语
通过工程实例，对门式刚架结构体系的计算分析，笔者认为在设计门式刚架轻钢建筑房屋时应熟悉规范条文原理及应用条件，设计人应对结构体系具有清晰的结构概念，特别注意文中提到的屋盖、柱间的支撑和系杆布置，横梁的挠度变形，连接节点，使结构设计不仅技术上可行安全可靠，且应争取经济上达到最优。
[参考文献]
[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.CECS102-2002
[2] 钢结构设计规范.GB50017-2003
[3]冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002
[4] 中国建筑科学研院PKPM CAD工程部
STS使用技术条件
[5] 轻型钢结构设计指南（第二版） 中国建筑工业出版社 2005