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單層門式鋼架結構工業(yè)廠房結構設計探討

文檔作者：楊淑麗文檔來源：四川省冶金設計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月03日
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DOI：10．3969／j．issn．1672—4011．2013．04．016
單層門式鋼架結構工業(yè)廠房結構設計探討
楊淑麗
(四川省冶金設計研究院，四川成都610041)
摘要：門式剮架輕型鋼結構是單層工業(yè)廠房中一種
常見的結構形式。特別是近20多年來，隨著我國經(jīng)濟建設
的迅速發(fā)展，由于生產(chǎn)的需要，這類結構以其用鋼量低、
重量輕、造價低、適用范圍廣等優(yōu)點而獲得廣泛的應用。
因此，對門式剛架輕型鋼結構設計的結構柱網(wǎng)經(jīng)濟性進行
系統(tǒng)的研究很有必要。
關鍵詞：單層門式剛架；工業(yè)廠房；結構設計
中圈分類號：TU391 文獻標志碼：B
文章編號：1672—40ll(2013)04—0037一04
0前言
單層輕型門式剛架結構是指以輕型焊接H型鋼(等截
面或變截面)、熱軋H型鋼(等截面)或冷彎薄壁型鋼等
構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨
架，檁條材料采用冷彎薄壁型鋼材；墻面、屋頂通常采用
壓型鋼板、壓型不銹鋼材料；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬
質聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱
材料的一種輕型房屋結構體系。當前，許多建筑工程所用
到的梁和柱設計多為H形橫截面設計，如果是單跨鋼架則
采用鋼接焊接，如果為多跨則采用鋼接和鉸接混合設計；
柱腳同地基接觸點使用剛接或餃接；圍護結構主要使用輕
型鋼板材料；保溫隔熱材料使用石棉板。
1單層輕型門式剛架結構設計
(1)一般來說，門式剛架結構構件強度較弱、彎折性
較小，整個結構剛性較低，因此要針對其上述特點做好運
輸和安裝過程中的防護措施，以保證構件不受外力影響發(fā)
生形變。
(2)要做好支撐結構整體布局和規(guī)劃，做好墻體、屋
頂與面板之間的對接處理，提高整體結構的穩(wěn)定性。
(3)結構組成部件大多為薄壁輕質材料，要針對其物
理特性做好安裝和運輸過程中的防護工作。
(4)由于構件為鋼材材質，因此要考慮鋼材生銹導致
結構構件受力下降的問題。
(5)門式剛架的梁柱多采用變截面桿件，梁柱腹板在
設計時考慮利用屈曲后的強度，所以塑性設計不再適用。
(6)設計中要合理處理輕型化可能導致的一些問題，
例如大風力可能導致屋面荷載過大的問題等。
2結構形式和結構布置
2．1結構形式
門式剛架具有多種結構類型，最常見的有單跨、雙跨
和多跨幾種，根據(jù)坡脊數(shù)的數(shù)量來劃分，可分為單脊單坡、
單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1／20—1／8。單脊雙坡
多跨剛架，在沒有支柱設計的房屋建筑中比較常見，如果
剛架柱高度有限且負荷要求不高時，依據(jù)“材料集中使用的
原則”，中柱宜采用兩端餃接的搖擺柱方案。門式剛架結構
中，其柱腳一般常用鉸接設計，如果是工業(yè)企業(yè)廠房所用
的有橋式吊車，可以采取剛接的柱腳設計。為了門式剛架
的受力穩(wěn)定性，可以配置3 t以內的懸掛吊車，或者重量在
20 t以內的中、輕級單梁或雙梁橋式吊車。
Z 2結構布置
乞五1 剛架的建筑尺寸和布置
門式剛架跨度控制在10～35 m內為宜，如果柱寬度不
均等，要向外側對齊。其高度要視室內高度來合理調整，
一般不高于9 m、不低于4．5 lilt。門式剛架之間的距離也要
根據(jù)鋼架跨度、負荷大小來合理確定，通常有三種距離可
選擇：即6 m、7．5 m、9 m?？v向溫度區(qū)段小于300 m，橫
向溫度區(qū)段小于150 m(如果有其他特殊要求時，可適當調
整大小)。
ZZ2檁條和墻梁的布置
檁條間距大小要綜合考慮多種因素，例如天窗大小和
個數(shù)、屋脊長度、采光度要求、檁條長度和剛度等，沒有
特殊要求的情況，通常采用等間距布局，在屋脊處兩側均
勻布置一道，在天溝處布置一道。側墻墻梁的設計要根據(jù)
窗戶、門和雨搭的設計要求來綜合權衡，確保整體功能達
到設計要求。
2．3支撐和剛性系桿的布王
(1)在每個溫度區(qū)段內都要保證其具有獨立的空間穩(wěn)
定性結構。
(2)在進行柱間支撐開間設計時，要對屋蓋傲橫向支
撐結構設計，以提高整個結構的幾何穩(wěn)定性。
(3)端部支撐一般設置在溫度區(qū)段端部的第一二個開
問位置。柱問支撐之間的距離要根據(jù)房屋縱向受力分布情
況來確定，通常控制在30一45 m范圍內，如果配置了吊
車，可以最大至60 rn。
(4)如果房屋高度較高時，要采用分層結構的柱閥支
撐體系；如果房屋寬度超過50 m，內部要采用支撐結構。
(5)當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開
間的相應位置應設置剛性系桿。
(6)在剛架的轉折處，要根據(jù)房屋的長度來設置剛性
系桿，以保證房屋結構穩(wěn)定性。
(7)由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛
性系桿考慮。
(8)剛性系桿也可以采用檁條材料替代，此時要保證
檁條具有良好的受力和剛度性能，如果檁條達不到這方面
的性能標準，可以考慮在剛架斜粱間加裝H型釩或者鋼柱
來提高其的工作強度。
(9)如果屋內設置了重量超過5 t的吊車，要采用型鋼
萬方數(shù)據(jù)
材料的柱問支撐設計；如果不能使用柱間支撐，則可考慮
用縱向剛架來替代。
3剛架設計
3．1荷裁及荷裁組合
3．1．1永久荷載
永久荷載是指結構自重和施加在結構上的各種外力之
和，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。
3．1．2可交荷載
可變荷載包括屋面活荷載(在設計屋面板和檁條時，要
定期檢查其負荷能力變化，其標準值為1 kN)、屋面結構受
力和積塵受力、吊車自重、風力影響等。
3．1．3荷載組合
荷載組合要嚴格按照<建筑結構荷載設計規(guī)范)>
中的規(guī)定。
(5)當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同
時考慮。
3．2剛架內力和側移計算
3．2．1內力計算
變截面門式剛架的內力計算可采用彈性分析方法來實
現(xiàn)，塑性分析方法的使用具有嚴格的限制條件，那就是要
求鋼架粱柱都為等截面時才可使用。具體計算方法主要采
用桿系單元的有限元法或者稱直接剛度法，結合計算機軟
件來實現(xiàn)。針對地震造成的外力負荷大小，可以采用底部
剪力法來計算。通過計算出各種負荷組合的內力數(shù)據(jù)后，
再確定截面的內力大小，一般而言，控制截面的位置大多
分布在柱底、柱頂、柱牛腿連接處等處?？刂平孛娴膬攘?
組合主要有：
(1)最大軸壓力N。和同時出現(xiàn)的M及V的較大值。
(2)最大彎矩M一和同時出現(xiàn)的N及V的較大值。
(3)最小軸壓力N面和相應的M及V，出現(xiàn)在永久荷
載和風荷載共同作用下，當柱腳餃接時M=0。
3．22側移計算
通常采用彈性分析方法來確定變截面門式剛架的柱頂
側移數(shù)據(jù)，取多次計算平均結果作為標準值。如果最后得
到的側移剛度數(shù)據(jù)不達標時，可采用以下方法進行適當修
正：例如適當擴大截面面積，采用剛接柱腳替代鉸柱腳：
把多j疇框架中的個別搖擺柱改為上端和粱剛接。
3．3刖架結構中的柱和渠設計
(1)粱柱板件的厚寬比例大小和腹板最大彎曲形變利
用率。
(2)測算剛架梁柱構件的最大強度極限值。
(3)粱駿板支撐體系的設計。，4(梁腹板安裝位置要選
在兩柱之間位置，在翼緣轉折處增加橫向受力支撐)。
(4)測算變截面柱在結構內的長度上限值。
(5)測試變截面柱在結構內的物理穩(wěn)定性。
(6)變截面柱對整個鋼架結構的穩(wěn)定性影響評估。
(7)斜梁和隅撐的受力大小和負荷強度測算。
(8)節(jié)點設計。
4附屬結構構件設計
4-1壓型鋼板設計
(1)要結合建筑用途、功能和使用壽命來確定壓型鋼
板材料型號和規(guī)格，在工程實踐中，多采用Q235一A剛。
(2)壓型鋼板具有多種截面種類選擇，根據(jù)波高大小
將波板分為三類：低波板、中波板和高波板。波高越高，
截面的剛度越大，其負荷能力也就更大。
(3)壓型鋼板的強度和撓度計算方法是，選取單槽口
的有效截面按受彎構件來綜合計算。主要計算對象包含以
下幾方面內容：壓型鋼板腹板應力大小、支座處腹板局部
突變負荷大小、撓度上下限值測量等。
(4)壓型鋼板規(guī)格和參數(shù)指標還要滿足其他特殊設計
要求。
4．2檁條設計
(1)檁條的截面設計有兩種選擇：實腹式和格構式。
如果檁條跨度小于8 m，一般采用實腹式檁條為宜。
(2)檁條采用雙向受彎結構設計，對其進行受力分析
時，要以兩個軸心為中心來開展截面彎矩受力計算。
(引檁條安裝之前要經(jīng)過剛度檢測、穩(wěn)定性檢測和形
變大小檢測，檢測合格后方可安裝使用。
(4)檁條還要達到其他使用標準規(guī)定。
4．3墻梁、支撐設計
(1)墻梁材料通常使用冷彎卷邊槽鋼，也可以采用卷
邊z形鋼替代。
(2)墻梁在其自重、墻體材料和水平風荷載作用下，
也是雙向受彎構件。
(3)墻粱之間要保持等距離設計，要在墻面的各邊界
處設置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻粱的豎向撓度。
可在墻梁上設置拉條，并在最上層墻粱處設斜拉條將拉力
傳至剛架柱。
(4)墻粱設計可以靈活決定，根據(jù)柱距大小靈活選擇
一個簡支梁或者兩個柱距連續(xù)粱設計。
(5)門式剛架結構中，可采用按拉桿設計作為交叉支
撐和柔性系桿設計。
(6)剛架斜粱上橫向水平支撐的內力大小計算，主要
參考結構橫向風力大小和水平桁架兩個指標，并適當減少
支捧對斜粱產(chǎn)生的負荷，壓桿受力要剔除交叉支撐產(chǎn)生的
負荷。
(7)剛架柱闖支撐的內力大小計算，主要參考兩個指
標，即結構縱向風力大小和縱向懸臂桁架。并計入支撐對
柱起渡少計算長度丙應承受的力，壓稈受力要剔除交叉支
撐產(chǎn)生的負荷。如果一列支撐柱中設有多道支撐結構，可
以平均計算每道支撐的縱向力。
5小結
通過前面的分析，我們可以總結出輕型門式剛架結構
設計所需遵循的原則：①保證結構的整體性。單個門式剛
萬方數(shù)據(jù)
架屬于平面結構，通過縱向、橫向支撐結構組合，輔以圍
閉結構能夠組成穩(wěn)定的立體空間結構，只有在立體空間結
構保持穩(wěn)定的前提下，才可考慮增加其外部負荷和受力；
②明確各類外力從作用點到基礎的傳遞路徑和傳遞全過程
中產(chǎn)生的效應。
6單層門式剛架輕型鋼結構合理柱距的選擇
廠房結構設計中最關鍵的工作是如何根據(jù)設計要求來
合理布置柱網(wǎng)平面圖。傳統(tǒng)施工設計方法中，習慣將柱間
距離控制在6 m，并根據(jù)需要累加3 m或者其的倍數(shù)。這種
設計方法其實就是照搬了混凝土工業(yè)廠房的設計參數(shù)。針
對這種方法是否適合門式剛架輕型鋼結構設計，尚沒有學
者進行論證。但是，從經(jīng)濟成本的角度來看，柱距設計是
否合理直接影響到整個廠房結構設計的經(jīng)濟性。這是因為：
(1)門式剛架輕型鋼結構的質量高低直接取決于用鋼
量多少，因此用鋼量是評價其設計水平的關鍵指標。而柱
距疏密直接影響到整個結構的用鋼量(具體見以下工程案例
分析)。
(2)采用現(xiàn)代化建筑材料例如輕質面板材料來替代傳
統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑材料，突破了傳統(tǒng)工業(yè)廠房設計方法
和施工模式，提高了施工效率。在設計門式剛架輕型鋼結
構時，可以參照傳統(tǒng)鋼筋混凝土設計參數(shù)來控制柱間距離，
以有效節(jié)約用鋼量。
(3)廠房鋼材消耗成本還與鋼材市場價格、鋼材產(chǎn)品
規(guī)格、構件標準化程度有較大關系。有時采用標準化鋼材
替代非標準構件所增加的額外成本費用十分可觀。但是如
沒有柱距模數(shù)，構件標準化也毫無意義了。
因此，對于門式剛架輕型鋼結構的設計，要緊扣柱距
指標參數(shù)，計算出最佳柱距平面分布圖，才能夠在不影響
整體設計質量的前提下，實現(xiàn)經(jīng)濟效率最大化。
7工程實例
筆者以本院在印度所做(36 000∥年高鈦渣項目>中原
料場車間(以下簡稱原料場)為例，結合設計過程中遇到的
合理柱距問題，并通過一系列計算與分析，分析不同跨度
和有無吊車噸位時的經(jīng)濟柱距范圍，供探討。本文圍繞剛
架跨度和吊車噸位作為分析基礎，采用P即M發(fā)分析結構，
在確定了剛架跨度和吊車噸位的前提下，對實腹式門式剛
架輕型鋼結構體系設計用鋼量進行了科學系統(tǒng)的分析。主
要考慮跨度：12 m、15 m、18 m、24 m、30 m、36 m；吊
車噸位：0 t、5 t、10 t、20 t；及柱距為6 m、9 m、12 m、
15 m、18 m的情況。結構計算簡圖見圖1。
圈1計算模型(雙垮)
為使研究更具有普遍意義和可比性，本文在設計計算
時采用以下參數(shù)：風荷載：以0．30 kN／m2為基本風壓值，
近似取高度變化系數(shù)舭為1．O；未考慮雪荷載。積灰荷載：
0．10 kN／m2，考慮屋面坡度1：15，d<15。取屋面積雪分布
系數(shù)為1．0。吊車荷載：吊車使用規(guī)格主要根據(jù)‘5—50常
規(guī)工程電動橋式起重機使用規(guī)格規(guī)范(ZQl—62)>。
需要說明的是：
(1)設計中跟業(yè)主溝通，按中國規(guī)范并按中國7度設
防進行地震力計算。
(2)由于本文主要針對中等規(guī)模的廠房進行分析，對
吊車的噸位要求也不大。對此，本文沒有分析當柱距小于9
m時，吊車梁采用加寬工形橫截面的設計，希望能夠在今
后研究中彌補這方面研究空白；當柱距介于9—18 m之間
時，可以考慮采用制動桁架體系替代加寬上翼的方式，以
節(jié)約翼緣材料。
(3)如果跨度不超過9 m時，如果采用實腹式檁條和
墻架梁，則會造成較大的浪費，而采用桁架式具有更好的
經(jīng)濟效率。如果跨度不超過9 m，檁條和墻架梁材料都可以
使用冷彎薄壁型鋼。
(4)此外，本文在計算構件鋼材消耗時，沒有考慮節(jié)
點設計所需的鋼材，只是憑主觀經(jīng)驗確定了一個大概系數(shù)，
這顯然會與實際情況產(chǎn)生一定的出入，因此需要加以注意。
(5)各構件最危險截面考慮穩(wěn)定后最大應力比(折算
應力)控制在設計值的90％左右。
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總j
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(a)2x15m跨無吊車(b)2x18m跨無吊車
用鋼量，kg 用鋼量，kg
60
50
40
30
20
10
0
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(c)2x24m跨無吊車(d)2x15m跨3t吊車
用鋼t&amp;amp;g
(e)2×18m跨2x(5+5)T吊車(f)2x24m跨2x(10+20)T吊車
圈2
圖2(a)一2(c)給出了根據(jù)以上條件分析得到的原
料車間和干煤棚各自在36／6m跨，2×10 t吊車，24 m跨，
2×10 t吊車及18 m單跨，3 t吊車條件下，隨著柱距的變
化不同項目用鋼量相應發(fā)生的變化(單位：k∥m2)。
(下轉第42頁)
加∞∞∞如∞m
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萬方數(shù)據(jù)
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0 10 20 30 40 50 60
時間／s 枷一跳0 10 20 30 柏50 60
時獻
(b)2e墩左肢墩底(截面位王2)
圈5彎矩時程響應曲線圖
裹2 地曩動作用下主要藏面內力響應●值
剪力／kN 彎矩／(kN·m)
截面位置軸力／kN
Q井Q內M井M內
1 一1599167 9823 16919 663883 —275392
2 164134 一15256 16917 79∞12 一”5376
主墩
3 一150461 一15253 l娩32 79湖2 —292937
4 158990 媚曉1 l犯32 6∞967 —292941
5 13594 —10686 16864 3力1068 —545642
6 —1蝴一7822 —36542 370396 434562
主粱7 一18478 122 —5974 —4”805 —64301
8 150r75 —13012 —13193 383569 564610
9 —8837 7542 —40674 381718 550561
(2)主粱在地震動作用下，面內的剪力均要大過面外的剪
力值，支點截面的面內彎矩略大于面外彎矩值，而主跨跨
中截面的面外彎矩則是面內彎矩的7．6倍左右，這表明主
梁以橫向振動為主。
(3)在多維地震動作用下，橋梁結構的各個方向內力
達到一定數(shù)值，說明結構的各階振型均直接或間接的被激
發(fā)，表現(xiàn)出一定的空間耦合性，這與只受一維地震激勵時
結構只在該方向引起內力和位移的較大反應不同。
5結論
本文以一座高墩大跨度連續(xù)剛構橋為工程背景，建立
了橋梁結構的有限元動力模型，對其動力特性進行了計算，
并采用線性時程方法對高墩連續(xù)剛構橋的地震響應特點進
行了分析，得到如下結論：
(1)本例中連續(xù)剛構橋的基頻為0．333Hz，對應振型為
正對稱橫彎，基頻值遠小于普通高度墩結構，表明高墩使
橋梁結構更趨柔性，且對橋梁的整體剛度貢獻較大，對薄
壁墩尺寸進行調整可以改善橋梁的整體縱橫向剛度。
(2)地震動作用下，該橋梁主要截面的內力響應均表
現(xiàn)為面內值大于面外值，表明該結構主要以面外振動為主，
在結構設計時，應根據(jù)這一特點，采取相應的抗震措施。
(3)橋梁結構在多維地震動作用下其內力響應表現(xiàn)出一
定的空間j駘性，各階振型會被直接或間接的激發(fā)，在進行抗
震分析時，只采用一維地震激勵輸入所得結果偏于不安全，應
輸入與實際更為接近的多維地震波激勵。[ID：000498]
參考文獻：
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由圖5和表2可以看出，高墩大跨度連續(xù)剮構橋的地[2]謝旭·橋梁結構地震響應分析與抗震設計[M]·北京：人民交
震響f立具有以下特點：
通出版社，2()05·
(1)運震動話用下，1·墩底縱橋向彎矩最大值為275 [3 2苧童芝鑾跨度連續(xù)刖構橋地震反應分析[D]·成都：西南交通
392 kN。：，竺罌在5‘!：。：!。簍踅宴!篷：苧奪堡曹663 883 [4]菜毒菇，王解軍．高墩大跨連續(xù)剛構橋的動力性能及地震反應
kN’m，出現(xiàn)在4·9 s；2。墩底縱橋向彎矩最大值為292 937 分析【J]．公路主程，繃，33(；一蠹-3?8． ????一
kN·rn，出現(xiàn)在5·96 8，橫橋向彎矩最大值為790 982 kN‘ [5]李茜，王克海，韋韓．高墩梁橋地震響應分析[J]．地llt-r
m，出現(xiàn)在4l 88 8，主墩面外的響應峰值要遠超面內的響應程與工程振動，2006，26(3)：74—76。
峰值，且I。、2-墩底的彎矩時程曲線類似，這些特點與主[6]寧曉駿，周亦唐，李睿．高烈度區(qū)大跨度剛構橋梁的抗震性能
橋第一階振型為結構的正對稱橫彎是一致的。研究[J]．昆明理工大學學報：理工版。2007。32(3)：64—67．
母≈卑葶s葛島舞群蕁莩譬舞盤≈蕁娣囂盎盤冬≈掣掌鎊曙螭舞盤!≈蕁姥噙舞舞≈掣掌鎊嚆盎盤嘶盤糍盤奢麓凳息盤套能奄鼻煞黼舟嘗盤鼻奄警扁冬舞警：鎊獻岸≈觸目跨盤
(上接第39頁) 的設計效果，各設計方案可能在結構體系、圍護結構的布
(1)對門式剛架輕型鋼結構體系麗言，主要鋼材消耗置等上會有所差別，從麗產(chǎn)生不同的用鋼需求，但是不管
在于剮架搭建，如果剛架跨度不大，則錒架所用鋼量占比哪一種設計方案，其用鋼量的趨勢都是相周的。通過上述
會相對升高，而其他構件的用鋼量，特別是墻架梁、柱間分析可以發(fā)現(xiàn)，對此特定的廠房而言，在有吊車荷載的情
支捧、屋面支撐，其用鋼量只占較小比例。況下，按用鋼量確定的最優(yōu)柱距基本在6～8 m的范圍內。
(2)隨著柱距的增大，剛架其用鋼量比率是逐漸下降研究證明，當采用不同的跨度和吊車噸位時，其對應的最
的，并且隨柱距的增加，下降的幅度逐漸趨于平緩。優(yōu)柱距也是不同的。圖2(a)。(c)還給出了無吊車情況，
(3)隨著柱距的增大，其他構件用鋼量也會顯著增加， 用鋼量隨柱距的變化情況。同樣，我們可以得出類似的結
用剛量增長幅度最大的是吊車梁，因為柱距增大時，要采論，不同的是，無吊車時，會大大節(jié)約鋼材，而且最優(yōu)柱
用格構形式，而這都需要投入大量的鋼材，并有可能超過距也有所變化，并有變大的趨勢，因此在上述條件下，其
剛架的總用鋼量。其次是檁條，因長細比的要求，用鋼量最優(yōu)柱距在8。9 m。
瑁加也較俠。以上是針對本工程分析后得出的具體結論，對門式剛
(4)整個單層廠房結構設計中，柱距密度的增大會增架輕型鋼結構體系的用鋼量與柱距之間的關系進行了具體
加甩鋼量。隨后會開始下降。通過這種倒u型的變化特征， 剖析。事實上，還有許多因素會影嘀到最優(yōu)柱距及最佳用
我們可以判斷用鋼量存在一個最佳值。鋼量，本文所受篇幅限制，這里不再一一探討，也希望今
當然，針對同一個結構，不同的設計人員會產(chǎn)生不周后有更多的學者投入到相關研究來。[m：o00519]
言．N尊埭靜
萬方數(shù)據(jù)

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