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第七章 轻型门式刚架结构设计. 本章内容. 第一节 结构形式和布置 第二节 檩条设计 第三节 结构设计 第四节 围护结构 第五节 设计实例. 学习目标. 了解轻型门式刚架的特点、应用现状和发展前景，熟悉门式刚架的结构体系、维护结构及设计方法。. 学习难点. 理解轻型钢结构和普通钢结构的区别。. 第一节 结构形式和布置. 一、门式刚架特点及适用范围 （一）结构特点 （ 1 ）刚架 梁、柱采用轻型 H 型钢（ 等截面 或 变截面 ）组成 ； （ 2 ）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接；
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本章内容 第一节 结构形式和布置 第二节 檩条设计 第三节 结构设计 第四节 围护结构 第五节 设计实例
学习目标 了解轻型门式刚架的特点、应用现状和发展前景，熟悉门式刚架的结构体系、维护结构及设计方法。 学习难点 理解轻型钢结构和普通钢结构的区别。
第一节 结构形式和布置 一、门式刚架特点及适用范围 （一）结构特点 （1）刚架梁、柱采用轻型H型钢（等截面或变截面）组成； （2）刚架梁与柱刚接，柱脚与基础宜采用铰接；当设有桥式吊车、檐口标高较高或对刚度要求较高时，柱脚和基础可采用刚接； （3）构件单元可根据运输条件划分，单元之间在现场用螺栓连接，安装方便快捷，土建工作量小。 （4）在非地震区可采用张紧的圆钢作为支撑； （5）用C形、Z形薄壁型钢做檩条、墙梁，以彩钢板或夹芯板做屋面、墙面。
厂房外立面 厂房内部
（二）适用范围 跨度9～36m、柱距6m～9m、柱高4.5～12m、设有吊车起重量较小的单层工业房屋或公共建筑（潮湿、车站候车室、码头建筑等）。目前国内单跨刚架的跨度已达到72m。 （三）优点 和屋架结构相比，整个构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁美观。
二、结构形式与布置 (一) 结构形式与布置 1 结构形式：分为单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。 （a）单跨刚架 （b）双跨刚架 （c）多跨刚架 （d）带挑檐刚架 （e）带毗屋刚架 （f）单坡刚架
2．门式刚架的尺寸 跨度：横向刚架柱轴线间的距离； 高度：地坪至柱轴线与横梁轴线交点的高度，根据使用要求的室内净高确定。无吊车时，高度一般为4.5～9m；有吊车时应根据轨顶标高和吊车净空要求确定，一般为9～12m。 柱距：宜为6m，通常介于4.5～9m之间。 檐口高度：地坪至房屋外侧檩条上缘的高度； 最大高度：地坪至房屋顶部檩条上缘的高度； 房屋宽度：房屋侧墙墙梁外皮之间的距离； 房屋长度：房屋两端山墙墙梁外皮之间的距离； 屋面坡度：宜取1/8～1/20，在雨水较多地区可取较大值。
3．结构布置 （1）温度区段布置 （2）伸缩缝设置 可通过设置双柱，或搭接檩条及吊车梁的螺拴连接处采用长圆孔进行调节。 温度区段长度
4．实腹屋面梁和托梁 （1）实腹屋面梁 实腹屋面梁结构体系是在钢筋混凝土结构上用钢梁、檩条、屋面支撑和屋面板搭建而成。屋面钢梁采用人字钢梁，按简支梁设计，可根据受力情况分段采用变截面，钢梁对混凝土柱有推力。 实腹梁钢屋架形式
（2）托梁 当因建筑或工艺要求门式刚架柱被抽除时，应沿纵向柱列布置托梁以支承已抽位置上的中间榀刚架上的斜梁。托梁一般采用焊接工字形截面，当屋面荷载偏心产生较大扭矩时，可采用箱型截面。 托梁的形式和尺寸
三、支撑体系布置 1．柱间支撑 （1）无吊车时柱间支撑的间距宜取30～45m；当有吊车时宜设设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m； （2）当建筑物宽度大于60m时，内柱列宜适当增加柱间支撑； （3）支撑与构件的夹角应在30°～60°范围内，宜接近45°； （4）柱间支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当桥式吊车起重量大于5ｔ时，宜采用型钢支撑； （5）柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向荷载（如风、吊车制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算；
（6）对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可按均匀分布考虑；（6）对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可按均匀分布考虑； （7）在每一伸缩缝区段，沿每一纵向柱列均应设置柱间垂直支撑。 柱间支撑布置
2．屋面水平支撑 （1）屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间； （2）在刚架转折处（柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆； （a） （b） 屋面水平支撑布置
（3）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载的支撑桁架；（3）柱间支撑和屋面支撑必须布置在同一开间内，形成抵抗纵向荷载的支撑桁架； （4）屋面交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆应按压杆设计； （5）刚性系杆可由檩条兼作，此时檩条应满足对压弯构件的刚度和承载力要求； （6）屋盖横向水平支撑可仅设在靠近上翼缘处； （7）交叉支撑可采用圆钢，按拉杆设计； （8）屋面横向水平支撑内力，应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算，对于交叉支撑可不计压杆的受力。
3 隅撑布置 为保证刚架梁下翼缘和柱内翼缘的平面外稳定性，可在梁与檩条或柱与墙梁之间增设隅撑。 隅撑构造 隅撑应按轴心受压构件设计，轴压力按下式计算
A——实腹式横梁被支承翼缘的截面面积； f——实腹式横梁钢材的强度设计值； fy——实腹式横梁钢材的屈服强度； ——隅撑与檩条轴线间的夹角。
一、檩条布置和连接 （一）截面形式 檩条一般设计成单跨简支构件，有实腹式和桁架式两大类，实腹式檩条也可以设计成连续构件。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 实腹式檩条
（二）布置和连接 （1）檩条承受弯曲和扭转的共同作用； （2）C形和Z形檩条，宜将上翼缘肢尖（或卷边）朝向屋脊方向； （3）屋脊檩条应采用双檩条方案，并应在高度1/3处用圆钢或钢管相互拉结； （4）檩条跨度由主刚架柱距决定； （5）檩条间距应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、天沟、屋面材料、檩条规格等因素，一般应等间距布置，但在屋脊和檐口处，为便于屋脊盖板和天沟收边，檩条布置应做局部调整。
（三）连接 （1）檩条可设计为单跨简支构件或连续构件； （2）简支檩条和连续檩条一般通过搭接方式不同实现。 连续C形檩条可通过采用稍大一点足够长的C形槽钢套在屋面檩条外后用螺栓锁紧实现，直卷边或带斜卷边的Z形连续檩条可采用叠置搭接来实现。 （a）钢板檩托 （b）角钢檩托 檩条连接构造
（四）拉条与撑杆 拉条（图（a）～（c））和撑杆（图（d））是提高檩条侧向稳定性的重要构造措施，拉条仅传递拉力，撑杆主要承受压力，和拉条共同作用，将檩条沿屋面坡度方向的分力传给梁或柱。 拉条和撑杆的截面应按计算确定，拉条一般采用直径8～16mm的圆钢，撑杆可采用钢管、方管或角钢做成，也可采用钢管内设拉条的做法，其长细比按压杆要求不能大于200。
（a）直拉条 （b）斜拉条 （c）剪刀拉条 （d）撑杆
拉条和撑杆的布置原则： （1）当檩条跨度l≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条； （2）当屋面坡度i≥1/10或檩条跨度l＞4m时，应在檩条跨中受压翼缘设置一道拉条；当跨度大于6m时，宜在檩条三分点处各设一道拉条（图3-13）；
（3）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；撑杆处应同时设置斜拉条，将檩条沿屋面坡度方向的分力传到钢梁或钢柱上。（3）当屋盖有天窗时，应在天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；撑杆处应同时设置斜拉条，将檩条沿屋面坡度方向的分力传到钢梁或钢柱上。 （4）拉条一般设置在离檩条上翼缘1/3高度处，当檩条在风吸力作用下，受力反号且平面外稳定不满足要求时，宜在檩条的上下翼缘1/3腹板高度处设剪刀式拉条。
二、檩条计算 （一）荷载 1.永久荷载 屋面材料重量（包括防水、保温、隔热层等）、支撑和檩条自重； 2.可变荷载 屋面均布活荷载、屋面雪荷载、积灰荷载和风荷载、施工及检修荷载。对轻型屋面，檩条设计的风荷载要考虑向上的吸力和向下的风压力两种情况。 采用双檩条兼做刚性系杆时，应考虑檩条作为纵向支撑体系的一部分而产生的轴向附加内力；对设有隅撑的檩条，尚应考虑作为刚架梁受压翼缘侧向支承产生的附加轴力和弯矩。
3.荷载组合原则 （1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中较大值； （2）积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑； （3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑； （4）当需要考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。
（二）计算 （a）C型截面 （b）Z型截面 檩条计算示意图
1.内力分析 垂直于主轴x和y的分荷载按下式计算： 式中 p—— 檩条竖向荷载设计值； 0——p与主轴y的夹角：对C形、槽形和工字型截面 0=，为屋面坡角；对Z形截面 ， 为主轴x与平行于屋面轴x1的夹角。
2.强度计算 Mx、My—— 刚度最大主平面（由py引起）的弯矩和刚度 最小主平面（由px引起）的弯矩； Wenx、Weny—— 对主轴x、y的有效净截面模量； x、y—— 截面塑性发展系数； f—— 钢材的强度设计值。
3.稳定计算 （1）当屋面能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可不计算檩条的整体稳定性。 （2）当屋面不能阻止檩条侧向失稳和扭转时，可按下式计算檩条的稳定性 Wex、Wey—— 对主轴x、y的毛截面模量； bx—— 受弯构件绕强轴的整体稳定性； f —— 钢材的强度设计值。
4.变形计算 两端简支檩条的挠度验算公式为 Ix─截面对主轴x-x的毛截面惯性矩； [v]— 容许挠度，对无积灰的瓦楞铁、石棉瓦等屋面为 1/150；对压型钢板、积灰的瓦楞铁、石棉瓦等屋 面为1/200；其他屋面为1/200； Pky— 沿y轴荷载的标准值。
第三节 刚架设计 一、荷载及荷载组合 （一）荷载 1．永久荷载 结构自重，一般为0.25～0.35kN/m2，屋面悬挂荷重按实际取值。 2．可变荷载 包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、悬挂或桥式吊车荷载。 3．地震作用 一般采用基底剪力法，对无吊车且高度不大的刚架可采用单质点简图；当有吊车荷载时，可采用2质点简图。 （a）单质点 （b）两质点
（二）荷载组合 1．不考虑地震作用时荷载组合 ① 永久荷载×1.2+0.9（竖向可变荷载×1.4+风荷载×1.4+ 吊车竖向可变荷载×1.4+吊车水平可变荷载×1.4）； ② 永久荷载×1.0+0.9（风荷载×1.4+邻跨吊车水平可变荷载×1.4）； ③ 永久荷载×1.0+风荷载（吸力）×1.4； ④ 永久荷载×1.2+竖向可变荷载×1.4。 上述1、4项组合用于计算最大弯矩及最大轴力的内力组合以进行刚架截面强度的计算；2、3项组合主要用于计算轴力最小而相应弯矩最大内力组合进行柱脚及锚栓的计算。
2．考虑地震作用时荷载组合 ① 计算刚架地震作用及自振特性时，永久荷载+竖向可变 荷载×0.5+悬挂吊车或桥式吊车自重。 ② 计算刚架考虑地震作用组合的内力时，（永久荷载+竖 向可变荷载×0.5+悬挂吊车或桥式吊车竖向轮压） ×1.2+地震作用×1.3。 实际经验表明，当地震设防烈度为7度而相应风荷载大于0.35kN/m2（标准值）或为8度（Ⅰ、Ⅱ类场地上）而风荷载大于0.45kN/m2时，地震作用组合一般不起控制作用，可只进行基本的内力计算。
二、构件截面设计 门式刚架计算简图
（一）刚架的内力计算 变截面门式刚架应采用弹性分析方法，按平面结构确定各种内力，仅当构件全部为等截面时才允许采用塑性分析方法。计算控制性截面的内力组合时一般应计算以下四种组合： ①Nmax情况下Mmax及相应V； ② Nmax情况下Mmin(即负弯矩最大)及相应V； ③ Nmin情况下Mmax及相应V； ④ Nmin情况下Mmin及相应V。 内力计算原则：根据不同荷载组合下内力分析结果，找出控制截面的内力组合，控制截面位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁端、梁跨中等截面。
（二）构件的稳定设计 （3-13） 边柱和梁以受弯为主，中柱以受压为主。梁柱截面采用焊接工字形截面并利用腹板的屈曲后强度，截面绕弱轴抗弯性能较差，构件的平面外稳定为结构设计的控制性因素。 1．变截面柱 （1）平面内稳定计算 （2）平面外稳定计算
N0——为小头的轴向压力设计值 M1——为大头的弯矩设计值； Ae0——为小头的有效截面面积； We1——为大头的有效面积最大受压纤维截面模量； xy——杆件轴心受压稳定系数，楔形柱轴心受压稳定系数， 计算长细比时取小头的回转半径； y——为轴心受压构件弯矩作用平面外的稳定系数，以小头 为准； by——为均匀弯曲楔形受弯构件的整体稳定系数； mx、 t——为等效弯矩系数； ——计算时回转半径i0以小头为准。
式中 A0、h0、Wx0、t0——分别为构件小头的截面面积、截面高度、截面模量、受压翼缘截面厚度； Af ——受压翼缘截面面积； iy0——受压翼缘与受压区腹板高度组成的截面绕轴的回转半径； l ——楔形构件计算区段的平面外计算长度，取支撑点间的距离。
