门式刚架结构设计研究
李琴
身份证号码：12022319810716xxxx
摘要：门式刚架轻钢结构最大的优点就是成本低、施工时间短，目前门式刚架轻钢结构已经广泛地应用在工业、商业设施中。门式刚架轻钢结构在发展的过程中还有很多问题有待解决。文章通过分析选材、整体变形、柱间支撑等内容深入研究门式刚架轻钢结构设计中可能出现的问题，从中提出一些可行性建议，为以后的设计提供帮助。
关键词：门式刚架；轻钢结构；设计
引言
门式刚架轻钢结构以其简便、轻捷、安全、经济、高效、大空间的构建优势，在现代化工业、商业、会展、文娱、公共设施等建筑结构的搭建与运维中的应用越来越广泛。但由于轻钢结构是传统普钢结构的有机简化，具有荷载小、柱距小、构件薄柔等特点，除了考虑常规结构力学和钢结构理论之外，还应符合铰接柱脚、摇摆柱、构件截面宽厚比、长细比、连接极限承载力、抗风防震等设计中对门规具体发展的要求，提升轻钢门式钢结构的设计效能。
1门式刚架结构设计优势
1.结构形式合理，重量轻，经济效果良好。其重量轻主要是由于在围护结构中采用了轻型压型板和薄壁钢，这些轻质高强材料的大量使用，有效减轻了结构的自重，而结构自重的减少，也可以大大减少柱脚传递给基础的荷载，提高基础的经济性。2.良好的抗震性能。门式刚架具有结构合理，受力明确，自重较轻的特点，而且钢架在排架方向和垂直排架方向均有较大的刚度，这一系列优点可以确保结构在地震波的作用下拥有上佳表现。3.施工周期短。与其他类型的建筑形式相比，因为门式刚架的预制组件在加工厂中统一制造并运输到现场进行安装。预制构件的连接方法一般均采用高强螺栓连接，柱脚采用地脚螺栓与基础连接。所以该类结构具备构件质量有保障，安装节点可靠等一系列优点，同时构件无需现场制作，只需要按图纸完成安装工作即可，因此，可以最大程度地缩短施工周期。4.易于重新安置。通常门式刚架各构件的连接，无论是梁梁拼接，支撑连接，还是柱脚与基础的连接等一般采用高强螺栓或者地脚螺栓连接，此类拼接最大的优点就是易于拆卸和组装，对于结构的重复利用是非常有利的，这也是混凝土结构不具备的优点。
2门式刚架结构设计
2.1连接节点设计
结合《门规》（CECS102：2002）第4．1．4条规定：“门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。”在计算支撑内力时，假定节点为铰接，同时忽略偏心的影响，一般支撑可按拉杆考虑。结构支撑体系通过双向布置以提升结构的稳定性。必须考虑门式刚架结构的高度和荷载。对高且承受风载较大的结构，不会设置吊车装置。但是，由于柱顶高度和荷载的作用产生较大位移，如果仍采用铰接的方式，应当增大梁柱的截面面积，并增加钢的用量，或直接采用刚接方式。还应考虑建区的面积与土质。若土质较差，在巨大的偏心弯矩作用下，会增加刚接所需的占地面积。设计中，应当进行通盘解构与分析，选择出最佳的连接方案。对端板厚度的计算，应当严格按照不同板区的计算公式进行科学计算。之前要按照最大内力设计和验算其最大弯矩时的受力状况。在内力承受较小时，其端板连接应能够承受不小于被连接截面承载力的一半设计应力。还应同时对受拉和受剪螺栓的强度进行验算，当受拉翼缘两侧螺栓不能满足承载力要求的情形下，在翼缘内侧进行增设螺栓处理（其间距可取75mm，且不小于3倍螺栓孔径），为端板计算时得到有效承载力下的最优厚度（不小于16mm以及连接螺栓的直径）提供精准的参数助力。
2.2钢梁分段
门式刚架轻钢结构设计的时候很多设计师都认为应该把钢梁的拼接节点设置在钢梁弯矩最小的位置处，这种设计会影响拼接节点的质量。因为在超静定结构里面构件的变化会直接影响结构弯矩。
门式刚架轻钢结构在设计的时候可以先把钢梁分成三段之后再通过计算软件分别对这三段钢梁进行计算，得到相应的恒荷弯矩图。根据图片显示能够发现钢梁不同，结构弯矩也不同。设计人员在设计的时候要先确定钢梁的分段之后在进行加工，这样可以减少很多拼接点出现。因为拼接点越多，加工的程序就会越烦琐，所以在设计的时候需要注意不要把钢梁分成单件，单件的形状比较复杂，不容易校正。钢梁还需要根据实际运输的要求进行分段，一般如果使用公路运输，构件长度一般在11m左右，不宜过长，不然在运输的时候容易给车辆拐弯带来麻烦；如果是轮船运输或者是火车运输，其成本也会增加很多。不仅如此，这2种运输方式在长时间的运输下还会使构件变形。钢梁分段还能方便安装，在分段拼接的时候需要注意避开屋面支撑和抗风柱等位置，杆件尽量不汇在一处。因此，钢梁分段不同会直接影响结构受力和用钢量的大小，设计人员在设计的时候需要综合性的进行考虑，通过计算、对比选择出一个最经济、合理的方案来进行设计。
2.3结构优化
无论是出于结构的安全性还是经济考虑，结构优化作为结构设计一门永恒的课题，都是设计人员不可忽略的重要步骤。在规范框架内，通过构件优化能使结构设计更加合理、更加经济，同时也可以减轻结构的安装和生产压力。构件优化主要设计以下几个方面：（1）结构模型的优化。合理的结构形式能保证结构在各种荷载工况下有更加高效的表现，同时也能让软件模拟计算时结果更加可靠。（2）构件优化。构件优化包含构件的材料、规格及构件的截面形式的选择，对构件进行优化是对结构优化后的有效补充，也是结构优化不可或缺的一部分，需要设计人员不断地试算，以期达到最佳的效果。
2.4刚架最优间距的确定
在综合考虑屋面荷载、檩条形式的基础上，方可提出合理的刚架间距。当刚架的跨度较小时，如果不切实际提出较大的刚架间距，往往会造成檩条用钢量的增加，增加成本。通过结合相关项目的实际情况，计算分析可知，在逐步增加刚架间距情况下，刚架用钢量会出现下降，如果满足相关条件的柱间距要求，具有较好的经济性。例如，对于柱高度6m，通过计算以及分析得到相应的刚架最优间距分布如下：针对跨度为9～12m的刚架，间距选择6m较为合适；对于跨度为12～18m的刚架，选择7.5m的间距合适；而跨度为18～36m的刚架，则应选择7.5～9.0m的间距。
2.5屋面的活载取值与荷载组合设计
屋面的悬挂荷载，如喷淋（0.15KN/m2）、空调管道（0.05KN/m2）、灯具（0.05KN/m2）、石膏天花板吊顶（0.15KN/m2）都应包括在屋面活载的取值范畴中。如屋面的悬挂设备较多，用于悬挂的杆件的重量需要计入屋面的恒载中。此外，在荷载的组合与计算取值过程中，不能将活荷载与雪荷载、风荷载及地震荷载同时组合，并在恒载与风载组合时，合理控制恒载的取值，不应使其过大（不考虑悬挂荷载）。恒载系数宜取值为1.0，避免造成风荷载与永久荷载效应的互相抵消。
2.6空间布局的优化设计
由于门式刚架轻型钢结构房屋形式结构多变，在空间布局的设计中一定要灵活处理，可以结合房屋的需求选择合理的门式刚架类型。对于同样室内空间的建筑，可以有多种平面形式以满足空间需求，这就需要设计人员熟练掌握不同跨度的门式刚架的设计方法，综合考虑其施工成本。
结语
本文结合具体应用实践中单层门式刚架结构的一些设计、施工实践经验，以及在工程实践中所遇到的问题，在经过不断总结的基础上，探讨了在进行单层门式刚架结构设计优化时应该注意的问题，但在优化单层门式刚架结构设计的过程分析中，仍然还存在着诸多的不完善之处，在中国建筑行业快速发展的背景下，一定要充分重视合理化选择单层门式刚架结构，在工作实践中，从项目实际情况出发，重视结构设计工作的每个细节，从而全方位推动钢结构设计的科学性、合理性发展。
参考文献：
[1]郑明星，陈京芳.轻钢结构设计若干问题的探讨[J].钢结构，2005，20（4）：49-52.
[2]周锦泉，张大鹏.轻钢门式刚架房屋设计中的几个问题[J].房材与应用，2005，33（5）：22-23.