門式鋼架結構設計淺析

摘要：門式鋼架結構是工業建筑中很常見的一種結構形式，本文主要介紹了門式鋼架結構設計中涉及到的門式鋼架柱，屋面及墻面的構造，基礎設計，柱腳錨栓的安裝定位，抗風柱的設計，抗風柱與鋼架的連接等，為以后的類似設計提供一定的指導作用。

關鍵詞：門式鋼架；鋼架柱；柱腳錨栓；基礎；抗風柱；設計

近年來，隨著國民經濟建設對建筑業的需求不斷增長，在工業建筑中，門式鋼架結構被廣泛使用。門式鋼架結構具有以下特點：①抗震性能好，比其他的結構抗震性能要提高很多，②重量輕，強度高，輕鋼門型鋼架結構自重為31kg/m2左右，約為普通鋼筋混凝土結構的1/2。重量輕的特性將降低基礎的造價；強度高的特性決定了適用于大跨度，大柱網，增大了使用面積。③鋼結構可拆卸利用，對環境的污染小，有利于環保。④主要鋼構件工廠化，施工的速度快，有助于建筑產業化的發展。

1 門式鋼架柱

1.1 輕鋼門式鋼架柱腳的連接方式分為剛接和鉸接兩種形式。柱腳為剛接的鋼架，其柱頂橫向水平變位較小，可以節約材料，但由于柱腳與基礎的連接處需要承受較大的彎矩，柱腳構造較復雜，基礎較大。與此相反，柱腳為鉸接的鋼架，其柱頂橫向水平變位較大，所用鋼架材料較多，但柱腳形式要視具體情況而定，當結構高寬比和風荷載較大，以及有吊車荷載作用時多采用剛接。總結這幾年的設計經驗，在設計的時候，若有較大的吊車荷載，比如說有不小于5t的橋式吊車時，應該考慮將柱腳設置成剛性柱腳，柱設置成等截面柱，柱間支撐不應是簡單的構造設計，應考慮吊車縱向水平力的作用。若門式鋼架無吊車荷載，建筑物高度不高，風荷載不是很大，則選用鉸接的柱腳，曾經設計過的《山東盛陽90平米燒結項目-聯合篩分室工程》采用的就是鉸接的柱腳。

1.2 柱間支撐的布置。柱間支撐的作用主要是提高結構的縱向剛度和穩定性，并將水平荷載(包括水平風荷載及縱向的其他荷載)傳至基礎。柱間支撐與屋面的支撐應在同一柱間，使鋼架縱向形成穩定體系，方便鋼架安裝，增加縱向的剛度。柱間支撐應布置在第一柱或第二柱之間。當跨度較大時，在布置支撐的柱間，應恰當增加剛性系桿的數量，使支撐的夾角在45°左右，當受建筑功能等限制無法布置柱間支撐時，應布置縱向鋼架。

2 屋面、墻面的構造

輕型門式鋼架結構廠房中屋面及墻面構造措施是增大鋼架剛度，防止鋼架平面外失穩的關鍵措施，拉條的設置應該滿足要求，在柱距大于6米時，設置兩道拉條，當柱距小于6米時，設置一道拉條，而且在設置斜拉條的時候，應該設置撐桿，但是個別設計者，容易忽視撐桿的作用，而不設置，但是只有在斜拉條間設置撐桿，才能形成穩定體系。在屋面、墻面設計中還應注意檁條的布置，輕鋼結構中屋面檁條布置間距一般為1500，檁條截面較小不足以為屋面梁提供較大的剛度，在輕鋼結構計算時屋面梁平面為計算長度一般可取3000，因此在屋面檁條體系中需隔根設置檁條隅撐，防止受壓翼緣屈服而失穩。

3 基礎設計

輕鋼結構，由于自身的重量較輕，傳給基礎的豎向荷載較小，因此水平荷載控制著基礎的大小，基礎設計必須考慮偏心荷載作用下的基礎底下反力的不均勻性，防止基礎傾斜。對于鉸接柱腳，基礎只受到軸心荷載的作用，而對于剛接柱腳，基礎受到了偏心荷載的作用。門式鋼架結構基礎的受力特點：①由于結構自重較輕，鋼結構自振周期較長，水平地震作用相對較小，水平控制荷載多為水平制動荷載加風荷載；②水平制動荷載相對較大，基礎偏心距e因此較大，一般最大偏心距可達1.5～2.0m；③若廠房沒有大型吊車，縱向水平荷載由柱間支撐承受，柱腳多為鉸接。若廠房帶吊車，且吊車噸位較大，橫向水平位移難以控制，則要求柱腳剛接；④門式剛架輕型鋼結構廠房為單層或單層帶夾層，基礎多采用單獨基礎，而且埋深較淺。在《山東盛陽90平米燒結項目-聯合篩分室工程》中，采用的就是柱下獨立基礎。

4 柱腳錨栓的安裝定位

柱腳錨栓的安裝定位需正確，這樣能避免框架或鋼架安裝困難，若處理不當，則得對進行加固處理，主要原因是錨栓間無連接，剛度較差，容易在澆筑的過程中產生位移，為了避免位移的出現，可以在混凝土澆筑前預埋腳栓固定支架，起到一個固定的作用。在門鋼柱腳節點設計中，錨栓起到安裝定位的作用，當底部抗滑移系數超過0.4時，要在柱腳設置抗剪鍵，還要考慮風荷載的上吸力作用對錨栓產生的上拔力，并以此來驗算錨栓的直徑大小，而驗算上拔力時是以錨栓被拉斷為極限承載力為標準的。在個別的工程中將錨栓的抗拉設計值定的比較小，依個人經驗這是由于錨栓抗拉除了本身的抗拉強度外還有與混凝土之間錨固的問題有關，還有安全系數，綜合考慮下形成的。

5 抗風柱的設計以及與鋼架的連接

抗風柱是門式剛架中支撐山墻的墻板抵抗水平風荷載作用的主要構件。抗風柱的上端與剛架梁相連，下端設置單獨的基礎。在工作中，我將抗風柱的設計理念歸納成了三種。(1)懸臂梁式：這種設計形式從過去的重屋面單層工業廠房就有。主要特點是抗風柱柱腳剛接，相當于我們一般的懸臂梁受力形式，抗風柱本身獨立承受墻面傳遞的風荷載。我們可以一些圖紙中見到，在抗風柱的頂部加設彈簧板，與主鋼架連接，就是這種設計理念。(2)簡支梁式：簡支梁式的抗風柱受力形式簡單，截面較小；柱腳采用鉸接、頂部與主鋼架鉸接，鉸接節點加工和安裝比較方便。風荷載通過抗風柱傳遞到主鋼架，依靠主鋼架的支撐體系承受著水平風荷載，能發揮整個結構的承載能力。(3)結構柱式：把抗風柱作成結構的一部分，在承受結構荷載的同時承受風荷載。對于輕鋼廠房來說，它的缺點是增加了加工的品種，邊跨和中間跨明顯不一致，在設置支撐體系時，也因為截面不同，使支撐的節點構造比較煩瑣，但是結構柱式的抗風柱作為結構的一部分，在承受結構荷載的同時承受風荷載，而且對于鋼結構框架結構來說，上面的缺點不明顯，還可以明顯提高承載能力，降低成本，減小構件截面，因此是比較合理的選擇。

目前門式鋼架抗風柱的設計存在兩種錯誤的做法：一種是鋼架與抗風柱在一條軸線上，但不考慮抗風柱的荷載，鋼架梁與抗風柱之間用一塊鋼板通過焊縫相連。另一種做法是將鋼架與抗風柱做成一樣，鋼架梁與抗風柱或鉸接或剛接，抗風柱既參與豎向荷載作用又參與抗風水平荷載的作用，而設計人員容易忽視鋼架的縱向抗風驗算，這樣就導致漏算了荷載，是很危險的。以上兩種設計方式都存在弊端，因此在設計的時候一定要引起足夠的重視。

6 結束語

本文主要對門式鋼架結構設計中涉及到的鋼架柱，屋面及墻面的構造，基礎設計，柱腳錨栓的安裝定位，抗風柱的設計，抗風柱與鋼架的連接等做了簡要分析，只有充分了解門式鋼架結構的特點，才能做出更加優秀的設計。

參考文獻

[1]楊鼎久.建筑結構[M].機械工業出版社.2005

[2]呂西林.高層建筑結構[M].武漢理工大學出版社.2001

[3]李紅良.抗風柱三種結構形式.臨鋼科技.2010.11

[4]彭煜.門式鋼架結構設計探討.城市建設理論研究.2011.12