工業廠房門式剛架輕型房屋鋼結構設計流程及要點分析

孫金鵬

（太原市政工程勘測設計院有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

門式剛架輕型房屋具有加工制作方便和抗震性能好等特點，最早應用于臨時營房和家庭車庫等簡易類的建筑工程上。目前，許多建筑工程項目的建設周期愈來愈快，部分項目對工期有著較為嚴格的要求，所以一些工業廠房或簡單構筑物可引入門式剛架輕型鋼結構，此類結構十分的環保、節能，且施工速度快，能滿足建筑工程的施工進度要求。但在實際施工建設中，要充分發揮門式剛架輕型鋼結構的優勢，須不斷優化設計過程，明確設計要點，確保設計成效。本文就工業廠房門式剛架輕型房屋鋼結構設計的流程及要點進行分析，以供參考。

1 門式剛架輕型房屋鋼結構的優點

門式剛架作為一種簡單的結構體系，施工方便，將其與鋼結構構件相結合建設房屋，能夠保證房屋的承載性。門式剛架輕型房屋鋼結構具備以下優點：

（1）施工周期短。門式剛架輕型房屋鋼結構之所施工周期短，完全取決于輕量化，易于加工和安裝。

輕量化：門式剛架輕型房屋鋼結構采用輕型鋼材料，使得整個結構相對于傳統的混凝土結構來說更加輕盈，重量大大減輕，從而降低了對基礎的要求，縮短了施工周期。

易于加工和安裝：門式剛架輕型房屋鋼結構的加工和安裝相對于傳統的混凝土結構更加容易和靈活，其應用的鋼構件會提前在工廠加工完成，只需在現場施工時對其進行連接、組裝即可，所以施工速度快，提升了工程施工的效率，達到預期的項目進度目標。

（2）使用空間大。門式剛架輕型房屋鋼結構的屋面荷載較小，對于相同的占地面積，此種結構能做大跨度，使房屋空間利用更加寬廣，滿足用戶的大跨度需求。

（3）能循環使用。門式剛架輕型房屋鋼結構的材料多數是鋼結構構件，十分便于拆卸、施工，且能夠循環利用，十分環保，一般不會影響周圍環境，與我國的綠色建筑理念高度契合。

（4）提高生產效率，成本相對低。工業廠房門式剛架輕型鋼結構具有輕量化、易于加工和安裝的特點，門式剛架輕型鋼結構的材料和構件可以預制和加工，提高了工廠生產效率和工作效率，降低了建設成本。門式剛架輕型房屋鋼結構能結合受力的實際情況做出變截面柱和變截面梁，受力結構簡單，施工成本低，對于穩定性能、抗震性能要求不高的項目可使用此種結構進行施工建設[1]。此外，門式剛架輕型鋼結構可以根據生產流程的需要進行定制，從而提高了生產效率和工作效率[2-3]。

（5）提高安全性。門式剛架輕型房屋鋼結構采用輕型鋼材料，但由于其結構設計合理，所用材料的強度得到了充分的發揮，從而使整個結構具有極高的強度和抗震能力，從而可以提高整個工業廠房的安全性。此外，門式剛架輕型房屋鋼結構的所有連接采用螺栓連接，結構設計嚴格按照規范執行，從而使整個結構具有較高的可靠性和安全性[4-5]。

（6）可持續性好。門式剛架輕型鋼結構采用輕型鋼材料，減少了對自然資源的消耗，降低了對環境的影響。門式剛架輕型鋼結構的材料和構件可以回收和重復利用，具有較好的可持續性[6-7]。

2 工業廠房門式剛架輕型鋼結構設計流程

門式剛架輕型鋼結構的設計流程一般包括工程調查和勘測、結構方案設計和結構荷載計算三個步驟：

2.1 工程調查和勘測

在進行門式剛架輕型鋼結構設計前，需要對工程的基本情況進行調查和勘測，了解工程的地理環境、地形地貌、氣候條件、建筑用地的狀況、建筑規劃和設計要求等。

2.2 結構方案設計

在進行門式剛架輕型鋼結構的結構方案設計時，需要根據工程的實際情況和設計要求，選擇合適的結構方案。確定結構的材料和規格，進行結構分析和設計計算，確定結構節點的連接方式和尺寸，制定施工圖紙和相關規范。結構方案設計包括建筑的功能布局、建筑體系設計、建筑平面和立面的布局設計、結構框架的設計、連接節點的設計等。

2.3 結構荷載計算

在進行門式剛架輕型鋼結構的結構荷載計算時，需要根據工程的實際情況和設計要求，確定建筑的設計荷載，包括自重、附加荷載和風荷載等。結構荷載計算是門式剛架輕型鋼結構設計的重要基礎。

3 工業廠房門式剛架輕型鋼結構設計要點

3.1 基礎構件的設計

工業廠房在使用門式剛架輕型鋼結構進行設計時，應從墻架構件、支撐體系兩方面開展工程設計。

（1）在墻架構件設計方面，設計人員可選擇Z字形冷彎薄壁型鋼與卷邊槽形等作為輕型墻體結構的主要橋梁，并使用連續構件和簡支構件的形式設計墻梁，在剛架柱上方撐起兩端。若墻梁自身具備墻板落地、豎向承載力等條件時，設計人員則無需設置中間柱，而是要綜合考慮墻梁自身重量所產生的剪力及彎矩，使設計更加合理；若墻梁、墻板的重量需要墻梁承受，那么則可考慮雙向彎曲的情況。當墻梁跨度是4～6m時，需把拉條設置到跨中的位置，當墻梁跨度是6m時，則要將拉條設置到跨間的三分點位置，以此向墻架柱和承重柱等位置傳遞相應拉力。

（2）在支撐體系設計方面，因工業廠房輕鋼結構的鋼排架側向剛度較為薄弱，若想更好地抵抗地震、吊車剎車荷載以及水平風荷載的作用，需在設計柱間支撐的開間時，設計屋蓋橫向支撐，通過構成幾何不變的體系，使柱間支撐在溫度區段端部的首個開間內。柱間所支撐的間距需結合建筑的安裝條件、吊車情況和柱距確定，通常無吊車的工業建筑柱間不應超過45m的支撐間距，避免房屋設計出現風險。

3.2 結構尺寸的設計

一般情況下，工業廠房門式剛架輕型鋼結構的尺寸設計要注意以下幾點：

（1）在設定門式剛架跨度取值標準時，要以橫向剛架柱的軸線之間距離為準；

（2）工業廠房門式剛架高度取值需是斜梁軸線、地坪至柱軸線交點的高度，要根據實際的使用要求、需求確定內凈高；

（3）在選擇柱子軸線時，可根據柱子下端的中心點豎向軸線確定，斜梁軸線可根據變截面橋段中的最小端中心和斜梁上的平行軸線確定；

（4）工業廠房門式剛架輕型鋼結構的檐口高度要依據地坪到房屋外側檁條上邊的高度設定，房屋側墻墻梁與外皮的距離是房屋的寬度距離。一般情況下，門式剛架跨度是9～36m 之間，若邊柱寬度不相等，則需對齊外側，使房屋結構更加合理、科學[8]。

3.3 合理設置剛架節點

在工業廠房門式剛架輕型鋼結構的設計中，需按鉸接式設計門式剛架柱腳，利用平板錨栓式鉸接柱腳。如果工業廠房擁有5T及以上的橋式吊車時，則要將工業廠房的門式剛架柱腳設計為剛接的形式，如插入杯口式或錨栓式等。因柱腳錨栓很難承受柱腳底部的水平力，且柱底剪力小時可通過混凝土面、柱底板的摩擦來傳遞。若柱底剪力大，那么需在平板底部及時設計抗剪鍵來承受柱腳底部上的水平力。斜梁剛性和一般剛架邊柱進行連接時，通常是斜梁、中柱采取鉸接或中柱柱頂剛接的方式。對于斜梁和柱子之間的剛接，則可使用端板斜放、端板平放和端板豎放等形式。在剛性連接方面，應使用強度高的摩擦螺栓手段，且螺栓要呈現對稱的狀態，在受壓翼緣、受拉翼緣內側、外側設置螺栓。另外，門式剛架與傳統鋼結構體系在計算受力時，有明確的傳力路徑，其結構體系中的壓型鋼板、檁條及剛架都互相支撐、依托，使得房屋受力趨向空間化。

3.4 塑性設計門式剛架

門式剛架主要包括以下三類荷載：一是屋面結構類的自身重量，是永久的荷載；二是在屋面活荷載中的較大者荷載重量；三是風荷載。通常情況下的工業廠房彈性設計需結合不同荷載情況獨自計算剛架內力，并有目的、有計劃地組合各個構件，計算出最不利的設計值。針對超靜定的工業廠房結構，可使用塑性設計的手段進行門式剛架設計，靈活利用構件與結構的塑性性能，實現節約材料的目標。在塑性設計期間，要精準確定鋼結構中塑性鉸位置，算出構件截面的彎矩。另外，工業廠房的門式剛架輕型鋼結構設計，要著重分析門式剛架的結構。如通過靜力法確定塑性彎矩、塑性鉸位置，具體而言，先除去構件中存在的超靜定贅余反力，形成靜定的結構，隨后在了解荷載作用的基礎上，確定靜定結構的具體彎矩圖，將贅余反力作用于靜定剛架中，并結合實際要求繪制因贅余反力導致的彎矩圖，疊加前方兩彎矩圖，算出門式剛架機構的塑性鉸具體位置，滿足門式剛架的機構條件與平衡條件[9-10]。

3.5 柱網布置和結構選型

門式剛架所布置的跨度需根據建筑物的實際建筑環境、使用需求確定，通常范圍是9～36m。據相關研究表明，最為顯著的門式剛架跨度選值是21～30m，若跨度大則材料消耗小。因此，在柱網布置方面，可將排架柱間距合理控制到6～9m的區間，跨度若是越大，柱距也會越大，所以可將排架柱、剛架跨度相比取出3.5～5m的數值，使建筑高度的凈高在4.5～9m的范圍中。為確保建筑擁有充足的排水功能，屋頂坡度的取值不能低于5%，且要綜合考慮與分析橫向風荷載的效果及作用，盡可能在滿足承載能力和穩定能力的基礎上，控制住鋼架自身高度。另外，在選擇鋼柱形式時，應采取工字型的設計，明確截面應力的實際分布，發揮出材料原有的強度，以此提升資源的利用率。若是能保證結構穩定性，那么柱腳設計方面可優先使用鉸接的手段，從而簡化施工結構。

4 結束語

綜上所述，工業廠房門式剛架輕型鋼結構為現代工業化建筑提供了更加靈活、高效、經濟的解決方案。通過對門式剛架輕型鋼結構的特征、優勢、設計建議和設計流程的分析可以看到，門式剛架輕型鋼結構具有結構輕巧、易于加工、方便安裝、節能環保等諸多優勢，可以有效提高建筑的質量和效益，滿足現代工業化建筑的需求。門式剛架輕型鋼結構應用到工業廠房設計中，能縮短建設工期，提升施工質量。因此，相關人員在結構設計中，需明確設計要點，合理設置剛架階段，注重基礎構件的設計以及柱網的布置，循序漸進地提高結構穩定性，有效降低施工成本。在門式剛架輕型鋼結構的設計和施工中，需要遵循科學規范，確保結構的質量和安全性，從而為現代工業化建筑的發展提供更加可靠、高效的支持。