1、第 1 章 轻型门式刚架结构11 概 述111 单层门式刚架结构的组成如图 11 所示，单层门式刚架结构是指以轻型焊接 H 形钢(等截面或变截面)、热轧 H形钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢(槽形、卷边槽形、Z 形等)做檩条、墙梁；以压型金属板 (压型钢板、压型铝板)做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱构件多采用焊接变截面的 H 形截面，单跨刚架的梁-柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用。柱脚可与基
2、础刚接或铰接。围护结构采用压型钢板的居多，玻璃棉则由于其具有自重轻、保温隔热性能好及安装方便等特点，用作保温隔热材料最为普遍。112 单层门式刚架结构的特点单层门式刚架结构和钢筋混凝土结构相比具：有以下特点：(1)质量轻围护结构由于采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻，因而支承它们的门式刚架也很轻。根据国内的工程实例统计，单层门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为 1030kgm 2；在相同的跨度和荷载条件情况下自重约仅为钢筋混凝土结构的 120130。由于单层门式刚架结构的质量轻，地基的处理费用相对较低，基础也可以做得比较小。同时在相同地震烈度下门式刚架结构的地
3、震反应小，一般情况下，地震作用参与的内力组合对刚架梁、柱杆件的设计不起控制作用。但是风荷载对门式刚架结构构件的受力影响较大，风荷载产生的吸力可能会使屋面金属压型板、檩条的受力反向，当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能是刚架设计的控制荷载。(2)工业化程度高，施工周期短门式刚架结构的主要构件和配件均为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便。除基础施工外，基本没有湿作业，现场施工人员的需要量也很少。构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，是安装迅速的一个重要方面，但必须注意设计为刚性连接的节点，应具有足够的转动刚度。(3)综合经济效益高门式刚架结构由于材料价格的原因其造价虽然比钢筋混凝土结构等其他结构形
4、式略高，但由于采用了计算机辅助设计，设计周期短；构件采用先进自动化设备制造；原材料的种类较少，易于筹措，便于运输；所以门式刚架结构的工程周期短，资金回报快，投资效益高。(4)柱网布置比较灵活传统的结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为 6m，当采用 12m 柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。门式刚架结构除上述特点外，还有一些特点需要了解：门式刚架体系的整体性可以依靠檩条、墙梁及隅撑来保证，从而减少了屋盖支撑的数量，同时支撑多用张紧的圆钢做成，很轻便。门式刚架的梁、柱多采用变截面
5、杆，可以节省材料。图 12 所示刚架，柱为楔形构件，梁则由多段楔形杆组成。梁、柱腹板在设计时利用屈曲后强度，可使腹板宽厚比放大(腹板厚度较薄)。当然，由于变截面门式刚架达到极限承载力时，可能会在多个截面处形成塑性铰而使刚架瞬间形成机动体系，因此塑性设计不再适用。使门式刚架结构轻型化的措施还有：在多跨框架中把中柱做成只承重力荷载的两端铰接柱，对平板式铰接柱脚考虑其实际存在的转动约束，利用屋面板的蒙皮效应和适当放宽柱顶侧移的限值等。设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理。风力可使轻型屋面的荷载反向，就是一例。组成构件的杆件较薄，对制作、涂装、运输、安装的要求高。在门式刚架结构中，焊接构件中板的
6、最小厚度为 30mm；冷弯薄壁型钢构件中板的最小厚度为 15,nm；压型钢板的最小厚度为 04mm。板件的宽厚比大，使得构件在外力撞击下容易发生局部变形。同时，锈蚀对构件截面削弱带来的后果更为严重。构件的抗弯刚度、抗扭刚度比较小，结构的整体刚度也比较柔。因此，在运输和安装过程中要采取必要的措施，防止构件发生弯曲和扭转变形。同时，要重视支撑体系和隅撑的布置，重视屋面板、墙面板与构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作(蒙皮效应)。113 门式刚架结构的应用情况门式刚架轻型房屋结构在我国的应用大约始于 20 世纪 80 年代初期。近十多年来特别是中国工程建设标准化协会编制的门式刚架轻型房屋钢结构技
7、术规程(CECSl02：98) (以下简称规程)颁布实行后，其应用得到了迅速的发展，主要用于轻型的厂房、仓库、建材等交易市场、大型超市、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。目前，国内大约每年有上：千万平方米的轻钢建筑竣工。国外也有大量钢结构制造商进入中国，加上国内几百家的轻钢结构专业公司和制造厂，市场竞争也日趋激烈。12 结构形式和结构布置121 门式刚架的结构形式门式刚架又称山形门式刚架。其结构形式按跨度可分为单跨(图 1-30a、 b)、双跨(图 1-3e、 f、 g、 i)和多跨(图 13c、 d)，按屋面坡脊数可分为单脊单坡 (图 12a)、单脊双坡(图 l-3b、 c、 d、 g、
8、 h)、多脊多坡(图 1-3e、 f、 i） 。对于多跨刚架，在相同跨度条件下，多脊多坡与单脊双坡的刚架用钢量大致相当，常作成一个屋脊的大双坡屋面。这是因为金属压型板屋面为长坡面排水创造了条件。而多脊多坡刚架的内天沟容易产生渗漏及堆雪现象。不等高刚架(图 13f)这一问题更为严重，在实际工程中应尽量避免这种刚架形式。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车房屋时，当刚架柱不是特别高且风荷载也不很大时，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱(图 13c、 g)，中间摇摆柱和梁的连接构造简单，而且制作和安装都省工。这些柱不参与抵抗侧力，截面也比较小。但是在设有桥式吊车的房屋时，中柱宜为两端刚接(图 13d)，以增加刚
9、架的侧向刚度。中柱用摇摆柱的方案体现“材料集中使用”的原则。边柱和梁形成刚架，承担全部抗侧力的任务(包括传递水平荷载和防止门架侧移失稳)。由于边柱的高度相对比较小(亦即长细比比较小)，材料能够比较充分地发挥作用。根据跨度、高度及荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用变截面或等截面实腹焊接工字形截面或轧制 H 形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改变腹板的高度，作成楔形；必要时也可改变腹板厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，当必要时可改变翼缘厚度。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。当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式
10、刚架轻型房屋屋面坡度宜取 120-18，在雨水较多的地区取其中的较大值。门式刚架可由多个梁、柱单元构件组成，柱一般为单独单元构件，斜梁可根据运输条件划分为若干个单元。单元构件本身采用焊接，单元之间可通过端板用高强度螺栓连接。门式刚架上可设置起重量不大于 3t 的悬挂起重机和起重量不大于 20t 的轻、中级工作制单梁或双梁桥式吊车。122 结 构 布 置1221 刚架的建筑尺寸和布置门式刚架的跨度取横向刚架柱间的距离，跨度宜为 936m，宜以 3m 为模数，但也可不受模数限制。当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。门式刚架的高度应取地坪柱轴线与斜梁轴线交点的高度，宜取 459m，必要时可适当放大。门式
11、刚架的高度应根据使用要求的室内净高确定，有吊车的厂房应根据轨顶标高和吊车净空的要求确定。柱的轴线可取柱下端(较小端)中心的竖向轴线，工业建筑边柱的定位轴线宜取柱外皮。斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。门式刚架的合理间距应综合考虑刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、75m、或 9m。挑檐长度可根据使用要求确定，宜为 0.51.2m，其上翼缘坡度取与刚架斜梁坡度相同。门式刚架轻型房屋的构件和围护结构，通常刚度不大，温度应力相对较小。因此其温度分区与传统结构形式相比可以适当放宽，但应符合下列规定：纵向温度区段12 时 =064-024( -1 2) (1-9
12、c)式中 与板件受弯、受压有关的参数，按公式(110)计算。式中 板件在正应力作用下的屈曲系数。= 2 l为腹板边缘正应力比值，以压为正，拉为负，1-1；当腹板边缘最大应力 10 时2he/(5- ) he2=he-hel (1-12)当腹板部分截面受拉，即 70mm)。波高越高，截面的抗弯刚度就越大，承受的荷载也就越大。屋面板一般选用中波板和高波板，中波在实际采用的最多。墙板常采用低波板。因高波板、中波板的装饰效果较差，一般不在墙板中采用。142 压型钢板的截面几何特性压型钢板的截面特性可用单槽口的特性来表示。压型钢板的厚度较薄且各板段厚度相等，因此可用其板厚的中线来计算截面特性。这种计算法
13、称为“线性元件算法” 。单槽口截面的折线型中线示于图 1-21。以此算得的截面特性A 和 I 乘以板厚 t，便是单槽口截面的各特性值。用 b 代表单槽口中线总长则 b=b1+b2+2b3，这样，形心轴 x 与受压翼缘 b1中线之间的距离是在图 121(b)中，板件 b1对于 x 轴的惯性矩为 b1c2，同理板件 b2对于 x 轴的惯性矩为 b2(h - c)2。腹板 b3是一个斜板段，对于和 x 轴平行的自身形心轴的惯性矩，根据力学原理不难得出为 b3h2/12。板件 b3对于 x 轴的惯 性矩为 。以上都是线性值，尚未乘板厚。注意到单槽口截面中共有两个腹板 b3，整理得到单槽口对于形心轴(x 轴)的惯性矩。即单槽口对于上边(用 s 代表)及下边(用 x 代表)的截面模量为式中 t 板厚。
