门式钢架不设柱间支撑时的结构设计

门式钢架不设柱间支撑时的结构设计

经向云 

中国五洲工程设计集团有限公司 

摘要：单层门式钢架已成为当前轻型化建筑结构的主要形式，因具有标准化制造效率高、安装方便、施工周期短等特点，被广泛应用于工业厂房和公共建筑中。受使用功能限制，传统的门式钢架柱间支撑做法不能满足要求，本文通过对不设柱间支撑的特殊门式钢架库房的结构分析，并结合实例确定了合理的设计方案，希望为能为相关从业人员提供有价值的参考。

关键词：门式钢架；无柱间支撑；结构优化

1引言

本文在对门式钢架的结构体系进行了一定的分析研究之后，对其结构进行初步的探究，并进行了相应的分析。在钢结构工程的实际应用中，我们可以通过对分析计算得出的结论，进一步的去分析钢在使用过程中出现的各种问题,同时对所提出的改进建议和措施进行完善，从而使得结构体系更加的合理化。本文结合项目实践，对不设柱间支撑的门刚结构进行了分析及设计优化。

2案例概况

某仓库建设地点为新疆省吐鲁番市，采用单层单跨双坡门式钢架，钢架跨度25m，柱高6.3m，柱距9mm，共9榀。屋面坡度6%，地震设防烈度7度（0.15g），场地类别II类。屋面恒载标准值0.5kN/m²，屋面活载标准值0.5kN/m²，基本风压0.85kN/m²，基本雪压0.2 kN/m²。结构安全等级二级。

3基于传统力学的设计方法

门式钢架平面内通过门刚梁柱承受屋面荷载，荷载通过基础传至大地。

为了保证门式钢架平面外的稳定，通常采用十字形交叉支撑或人字形支撑等作为纵向支撑体系。纵向支撑体系可以将单榀钢架连接组成具有空间刚度和空间稳定性的整体结构，为钢架平面外稳定提供侧向支撑，减少平面外计算长度。纵向支撑的设置，可以明确的传递水平力，如风荷载、水平地震力、吊车纵向水平力、温度应力等。

门式刚架纵向柱间距的确定应结合刚架的跨度、屋面荷载及风荷载、围护构件布置形式等因素综合考虑。在刚架跨度较小的情况下，采用的柱距过大会增加檩条、墙架体系的用钢量，是不经济的。结合工程设计经验及大量理论计算的结果，门式刚架跨度在 9~12m范围时，最优间距为5.5m；跨度在12~18m时，最优间距为6m；跨度在18~36m范围时，最优间距为 6~7.5m。

4 结构体系设计

项目为了满足功能要求，纵向柱间所有跨内均为全敞开式门洞，故而无法设置纵向柱间支撑。《门式钢架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）6.1.3条，当未设置柱间支撑时，柱脚应设计成刚接，柱应按双向受力进行设计计算。不设柱间支撑就无法保证钢架平面外的传力，因此柱脚做成刚接柱脚，以便将柱底弯矩到基础上。为解决纵向柱间不设支撑传递水平力的问题，柱顶设置刚度足够大的水平系杆，系杆与柱顶做成刚结；柱底设置刚接柱脚，此种结构体系下构件最大弯矩位置出现在柱顶梁端和柱底。

4.1基础设计

结构采用柱下独立基础，由于柱脚设计为刚接柱脚，所以需要将荷载产生的弯矩通过门刚柱脚传递至独立基础。弯矩作用至基础会使基础产生偏心距，出现基底反力不均匀分布的情况。同时在风荷载和其他水平荷载的作用下也会对基础底产生弯矩，当柱底弯矩较大时可能出现应力脱空区，为保证结构合理性和经济合理性，结构设计过程中要避免出现应力脱空的情况。

根据《建筑地基基础设计规范》推得偏心距，从公式得出，在基础弯矩一定的情况下，可通过增加柱脚轴力或增加基础压重来减小基础偏心距。增加基础压重是减小偏心距较为简单和易于实现的措施，可以通过以下两种措施：

1）独立基础之间设置基础拉梁。设置基础拉梁后，可以将墙体的自重荷载通过拉梁传递到基础之上，达到增加基础压重调节偏心距的目的。该措施的调节效果受墙体材料、厚度、高度等的限制，调节效果有限。

2）增加基础埋置深度。增加基础埋置深度可直接增加基础及以上土的自重值，从而减小基础偏心距。但随着基础埋置深度的增加，水平力的力臂也会增加，从而基础弯矩也会增加。

通过计算不断调整基础的埋置深度及平面尺寸，考虑上部结构传递的内力和基础梁传递的荷载后，得到一个最优的埋置深度，从而达到基础设计合理、节约造价的目的。

4.2上部结构设计

门式钢架采用工字型门式钢梁和工字型门式钢柱组成单榀钢架，钢架为单跨单层结构，平面内通过门刚工字型梁柱强轴方向的受弯来受力，经计算考虑屈曲后强度的钢梁应力比为0.75，钢柱应力比为0.77。内力计算结果满足规范要求。

平面外每榀钢架之间采用水平系杆和檩条连接，由于水平构件强度较弱，无法传递钢架与钢架之间的力。故在钢架柱顶设置刚度足够大的纵向水平钢梁，钢梁采用矩形截面。平面外钢架之间形成钢框架结构体系，将水平荷载产生的弯矩通过基础传至大地。水平钢梁与钢架柱顶采用刚接连接，故梁端和柱顶出现较大应力，水平钢梁最大应力比为0.53，柱顶应力比为0.77。内力计算结果满足规范要求。

5、结构构件的轻量化设计

5.1钢架梁柱截面的选择

门式钢架梁柱主要受力方向为平面内的受力，平面外通过水平钢系梁传力。考虑到结构受力的合理性以及减小钢材用量保证经济性，门刚梁柱均采用工字形截面。且梁截面根据不同位置的内力变化做成变截面梁，最大程度上降低了钢材用量，减轻了结构自重。通过减轻自重也减少了地震力的作用。形成较为合理的结构体系。

5.2梁柱节点的优化设计

门式钢架梁柱节点通长采用三种形式，分别为端板竖放、端板平方和端板斜放。三种方式各有优缺点，端板竖放的方式对螺栓和焊缝的施工要求较高；端板平放的连接刚度较小，且需要增设腋角，但操作较为简单，方便施工；端板斜放刚度最大，但施工和安装难度较大。

虽然端板竖放时,传递竖向荷载不直接,但这种节点方便放样加工,也方便立柱与系杆、支撑同步施工,符合施工工序要求。但当竖向荷载很大或螺栓布置不开时,虽然施工有所不便,也宜采用端板平放或斜放。

5.3围护构件的选择与布置

围护构件主要包括屋面与墙面檩条、水平系杆、隅撑等。檩条形式常用的有型钢檩条和组合檩条，门刚中通常采用实腹式冷弯薄壁C型或Z型檩条。由于工程纵向柱距为9m，跨度较大，故檩条计算跨度较大，需要选择受弯强度较高的截面形式。采用Z形檩条，且按照连续檩条进行设计，可以使檩条在支座处产生负弯矩，从而减小檩条计算弯矩，减小变形。通过采用截面尺寸较小的檩条、合理布置檩条间距，可以达到节省檩条用钢量的目的。

水平系杆的增设是为了提高结构的整体稳定性，可采用工字形、矩形或圆形截面，根据结构体系最优原则，在满足结构功能前提下，采用圆形钢管最经济合理。

5.4支撑设计

支撑主要包括柱间支撑和屋面支撑。受工程限制，不采用柱间支撑。屋面支撑提高了钢架之间的相互约束，有利于提高结构刚度，提高结构的整体性。根据屋面支撑的受力方式，使用交叉十字支撑，按照柔性支撑设计，即仅考虑支撑的受拉，受压时退出工作。支撑采用圆形钢筋，可最大限度的利用支撑的性能，受力明确、节约钢材。

6、结论及展望

门式刚架结构采用钢材作为主要构件，重量轻但强度高，能够承受大的荷载并实现较大跨度的设计。并且结构构件可以预制和标准化制造，达到工厂化生产的效果。这样可以提高施工效率，减少对现场施工的依赖，从而缩短了建设周期。由于钢材具有良好的弹性和韧性特性，门式刚架结构在抗震能力方面表现出色。它能够有效吸收和分散地震产生的能量，提高建筑物的抗震稳定性。

近年来，门式钢架在各个行业中的使用日益广泛，针对不同行业不同需求，传统的门式钢架做法可能不能完全满足需求，设计需结合实际的功能需求，对设计方案做出调整。本文也提供了一种在无法设置柱间支撑情况下的设计思路。

参考文献：

[1]万春.轻型门式钢架结构的设计和应用[J].四川水力发电,2010,(4):87-88.

[2]李耀.单层门式钢架的设计优化[J].建材与装饰,2018,(2):72-73.

[3]陈海鹏.无柱间支撑的特殊门式刚架厂房设计[J].天然气与石油,2007,(6):50-53.

[4]李安戌.门式刚架轻型房屋钢结构的设计[J].建材与装饰,2014,(28):1-2.