大跨度门式刚架结构厂房的设计要点论文
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摘要：
随着现代社会的不断发展，厂房工程建造技术也不断提高，很多企业在建造厂房时使用大跨度门式刚架，因为这一施工结构的造价成本较低，并且具有一定的美观性，同时安装技术非常简便，因此得到很多施工企业的高度重视，甚至在许多的高层建筑、仓库、展览厅当中也十分常见。基于此，论文主要对大跨度门式刚架轻钢厂房的设计与应用进行探讨，从构造、应用等方面研究其设计要点，针对一些刚架轻钢厂房设计中需要注意的问题进行全面的研究，并提出适当的建议。
关键词:
门式刚架;厂房设计;应用;建议;
1、引言
相对于传统的厂房建筑，大跨度门式刚架厂房由于工作量较小，能够为企业节省很多的成本，并且综合效益要更高，拆卸也非常方便，适合于各种企业的施工建设，工期较短。如果企业想快速建造厂房，大跨度门式刚架轻钢厂房是一个非常好的选择。近年来，很多的企业都开始着手于大跨度门式刚架轻钢厂房的设计工作，但在现阶段的工程建设中仍然会存在一些质量问题，论文仔细阐述门式刚架设计技术要点等内容，希望能给各行企业带来一点思考与启发。
2、大跨度门式刚架结构的特点及适用范围
近年来，工业的生产水平逐年提高，制造加工的条件得到有效的改善，整体工业化进程进入新时代。建筑行业的技术含量及运用价值都得到了跨越式的进步，大跨度门式刚架轻钢厂房是彩钢板制作成型材的结构，由于重量较轻，抗震效果好，符合我国大力发展绿色建筑的要求，受到了很多建筑师的青睐，特别是这种建筑结构有着得天独厚的优势，给企业带来更高的安全性能和经济效益。目前我国各行各业都开始加大对大跨度门式刚架轻钢厂房的应用，使用成熟的钢结构技术，将信息化、智能化、人性化与其相结合，致使大跨度门式刚架轻钢厂房的发展前景更为明朗。目前适用于大跨度门式刚架轻钢厂房的规程为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，在规程中详细规定了刚架的跨度不能超过36m，整体房屋高度在4～9m，房屋整体的刚度结构设备应进一步加强。
3、大跨度门式刚架厂房设计要点
3.1、节省成本，合理布置结构
在正常情况下，大跨度门式刚架厂房一般会根据实际建筑的使用情况和工艺要求来确定，通常会采用9～35m，跨度在20～30m，有着最高的性价比。刚架的用钢量一般要根据其间距的大小而定，但吊车梁用钢量会随刚架间距的增大而增加，对照以往的施工经验，可以发现用无桥式吊车5～8m并与跨度相匹配，大跨度往往采用大柱距，在3～5m最为适合，如果使用10t以上的吊车或较大的悬挂荷载时柱距在6m左右。
平均的门式刚架高度在4～9m，而且桥式吊车不超过12m，屋面的坡路在1/8～21/1，屋面排水满足生产要求，尽量取坡度的最小值，可以有效减少风荷载，节省建筑材料，如果风荷载不是很大，房屋高度不高时可以适当地减少刚架的用钢量，在刚架中间柱可采用两端均为铰接的方式。
如果厂房的建筑设计跨度不是很大，可以采用单脊双坡的形式，在其他条件都满足的情况下，在房脊两侧各需一根檩条，多一根房脊就需要多一根檩条，同时也要增加室内排水沟的用料，避免出现刮风下雨的情况，导致厂房积水积雪，增加厂房的荷载，如果负载过大会渗漏到厂房当中，给企业造成影响，如果厂房的跨度大，可以通过位移控制设计，采用双坡增加刚架的用钢量。因此，从节省成本、增加经济效益的角度来讲，可以采用多脊多坡的方式。
3.2、构件截面设计
要充分发挥材料的作用，根据大跨度门式刚架的结构设计，节省用钢材料，一般会采用变截面的梁柱，通过改变截面的高度，必要时改变腹板厚度的方式。当有桥式吊车时柱采用等截面构件，屋面荷载较轻，钢梁跨度大，工字形截面在受弯构件中以受剪为主。门式刚架则考虑，充分利用板件屈曲后的强度，当截面不满足要求时，需要优先加厚翼缘版，可取得较好的经济效果。设计中也可以简化门式刚架的柱脚结构，减轻基础要求，进一步压缩建筑造价，如果有桥式吊车，并且侧向刚度有严格要求时，柱脚则应该设计为钢接。
3.3、支撑结构的布置与构造
大跨度门式框架的支撑体系，包括刚性系杆、柱间支撑和横向支撑。整个知识体系可以保障刚架的整体稳定性，并且可以把纵向水平荷载传递到基础。在设置柱间支撑时，可同时设置房盖的横向支撑，形成几何不变体系，在刚架转折处设置刚性系杆。如果厂房的柱较高，而且没有吊车可根据支撑的夹角设置双层柱间支撑，保持支撑与水面夹角在30°～60°，以吊车做纵向系杆设置，上下两层柱间支撑，不设置下层支撑，以减少吊车梁的温度应力。一旦上述高度采用十字形柱间支撑的角度少于30°时，上柱支撑可采用人字形或W形支撑。柱间支撑在无吊车厂房内，可采用张紧装置的十字交叉圆钢支撑，有5t以上吊车时，柱间支撑应采用型钢支撑，设置屋盖纵向支撑提高吊车梁的侧向刚度。
3.4、隅撑的设置
在建造时，要考虑到刚架横梁有可能受压，必须在受压两侧布置轴承作为横梁的侧向支撑。在实际的建设过程当中，往往会以隅撑作为钢梁平面外的支点来减小钢梁的压力，提高整体建筑结构的稳定性，适当减少支撑长度，增加内力。在施工中通过设置隅撑，确保安装精密度一般每隔1根檩条设置1道隅撑，中间的间隔为2～4m，进行隅撑设计时也要注意以下几点问题：
第一，如果钢梁截面较大时，应按固定规程精确算出隅撑的强度。
第二，与隅撑相接的檩条厚度不易太薄，如果低于2mm将无法起到对钢梁的支撑效果，所以，也需要提前算出檩条局部的承压能力。
第三，关于设置隅撑的钢柱外计算长度是否可以按间距来测量，目前尚存在争议，在没有经验的情况下，建议取隅撑间距的1.1倍[1]。
3.5、大跨度门式刚架端板连接设计
为了提高施工的便利性，所常使用的刚架跨度为15～36m，采用运输加工分段进行的方式到现场进行拼接安装，在安装过程当中涉及端板结构连接特点设计的内容，其中端板连接是整个节点连接设计中性价比最高的方式，广泛应用在大跨度轻型门式刚架中，与翼缘拼接和常用的腹板拼接方式相比，端板连接更能够降低材料的成本，而且能增加整体构造的稳固性，现场拼接的方式也较为方便。端板拼接有3种形式，分别为竖放、斜放和横放。端板连接也考验其承受的弯矩和剪力，按最大应力设计，采用高强度螺栓，端板连接螺栓应呈对称布置，不宜少于2排。端板的厚度也不能小于1cm，采用全熔透对接焊缝的技术，将翼缘与端板之间进行焊缝，确保焊接的质量。
3.6、屋面活荷载取值
目前，市面上所使用的大跨度门式刚架设计结构，主要是根据相关的设计规范内容进行制作，经过调查发现钢结构设计规范当中对活荷载的规定为0.5kN/m2，但是如果构件的荷载面积更大，可乘折减系数0.6。大跨度门式刚架符合这种条件，取活荷载数为0.3kN/m2。
国内外对此数据有了较大的差异，国外的该房屋设计中需要考虑到0.15～0.5kN/m2的`附加荷载，但在我国的设计内容当中并没有此类的描述。所以有些厂房框架的柱梁太细，克扣负载，如果遇到大风等恶劣天气有可能会超出负载额度，很容易使厂房出现安全问题，因此，在建造大跨度门式刚架时一定要注重房屋的活荷载取值，不能一味地克扣荷载，保障厂房的稳定性。
3.7、需计算好合理的跨度
跨度问题在很大程度上影响着厂房结构的稳定性，由于不同生产流程的工艺在使用的时候可能有很大的差距，因此有些企业甚至希望能够根据自己的使用要求来合理配置厂房形式与大小。这种情况下需要提前计算哪一种跨度能够帮助企业节省成本，尽可能地满足生产工艺要求，根据房屋的高度确定合理的跨度，首先需要计算梁高和荷载。确定2项数值后，适当加大跨度刚架的用钢量，但整体的造价会较低，能进一步节省空间，所以带来的综合效果非常好，通过计算，发现如果房檐过高跨度过大，采用中间设置摇摆柱的方式，钢量较单跨刚架能节省20%左右，因此，在设计的时候应该选用较为经济的跨度[2]。
3.8、刚架间距的确定
房价的间距与房屋荷载跨度等因素相关，选用较大的间距会发现檩条的用钢量不经济。为符合规范要求，刚架柱的间距在6～9m最为适合。
3.9、柱脚的抗风措施
在实际的工程当中，偶尔会听说在大风时会把刚架柱子连根拔起，其实最主要的原因并不是由于荷载计算错误，而是在支撑柱间时忘记考虑支撑传给柱脚的力。尤其是房屋的纵向尺度较小，只涉及少量的柱间来抵抗风荷载，支撑会给柱脚带来很大的拉力，如果柱脚没有可靠的固定措施，很有可能会连根拔起，因此在容易刮大风的地区，要额外注意柱脚的抗风措施，如在柱脚设置描栓端部设描版等[3]。
3.10、防火设计方面
众所周知，大跨度门式刚架虽然有很多的优点，但是对火灾的防护性能较差，尤其是厂房的温度变化较大时，内部的屈曲强度和弹性模量都会随着温度的升高而降低。如突发火灾，温度的急速上升会使厂房的钢结构失去自身的承受能力，从而导致厂房的坍塌，为了能够提高钢结构在高温下的稳定性，有必要对钢结构采取保护措施。需要对火灾的危险类别进行划分，全体的设计人员确定门式刚架，轻钢厂房的防火等级，同时根据我国的规范和防护要求，确保钢构件的质量，在最大限度上避免高温给钢结构带来的负面影响。同时也可以采用在钢结构表面涂防火材料的措施，提高钢结构厂房的防火性能。除此之外，钢结构的设计更要从大局出发，多角度地考虑好设计工作，如按国家规范要求，设置疏散电梯安全出口，以便突遇火灾时，厂房内的工作人员可以在最短的时间内紧急撤离，避免企业的经济损失，保证工作人员的人身安全。
3.11、防水设计方面
大跨度门式刚架厂房所需要的材料是金属彩钢板，虽然很美观但是防水问题也一直存在，做好防水设计是建筑大跨度门式刚架厂房的必要工作。由于金属彩钢板自身的热系数较大，当接触到的外界环境发生较大的温度变化时，会产生一定的温差变化，温度变化会收缩彩钢板，从而使接口处产生位移误差，因此极容易出现漏水问题，在彩钢板的接口处是漏水问题的高发区域。钢结构体系中，钢结构本身容易受到温度变化，风荷载等外力的作用容易产生形变，支点连接处也容易产生漏水隐患。特殊部位由于材料的衔接不同，受到温度变化产生的应力不同步，需要及时修补漏水隐患。对于金属彩钢板的防水设计，要采用以导为主、以堵为辅的方式，重视整个设计的施工过程，将防水工程作为一个系统工程来做。在设计阶段要考虑到大跨度门式刚架厂房的坡度、坡长、构件等诸多因素，科学地采用彩钢板的规格。设计合理的截面和充足的落水点，出具详细的防水构造措施，从理论上减少漏水的可能性。施工过程当中，施工人员也应该对设计进行改良，并且在施工中监督施工环节，一旦发现问题要及时地整改，做好验收工作，记录房屋淋水试验，严格把控施工质量。即使在验收之后也应该定期进行检修，确定没有任何的漏水隐患后才可投入使用[4]。
3.12、计算刚架的侧移内力
现阶段，计算内力的过程中可用的方法是有很多的，在门式变截面刚架结构的内力计算过程中通常运用弹性分析法，虽然通过其他的计算方法也可以得到所需的参数，但是计算的基础精准度没有弹性分析法的精准度要高。另外，塑性分析法也是一种常用的方法，但是这种方法仅仅用在刚架拥有全部等截面的钢柱内力计算过程中。在具体的计算过程中，通常是运用单元杆系有限元的方式，计算所需要的参数相对来说是比较复杂的，在地震过程中所产生的效应作用可以利用该方法进行确定。同时，根据不同的荷载情况确定内力结果。在具体分析过程中，要确定不同荷载的具体组合情况，组合不同所造成的内力结果也是有很大差距的。在计算过程中，尽量找出截面受控的内力组合，将截面的位置控制在筑底连接柱顶以及跨梁的截面上。最后，侧移内力的影响因素相对来说是比较多的，因此，在计算过程中必须要确定哪些因素是主要的影响因素，哪些是次要的影响因素，由于在计算的过程中通常是运用弹性分析法来确定，所以在具体的计算过程中仅需要获取标准荷载的数值，虽然其他的一些数据也会对最终的结果造成一定的影响，如分项荷载的系数，但是由于该系数的复杂程度比较高，所以在计算过程中，一般不考虑它的影响。刚架侧移内力的计算分析结果对于刚架结构的建设是非常重要的，在后期的搭建过程中，还需要根据测移的具体数值来选择相应的建设位置，因此，必须要重视该过程。
4、结语
总而言之，由于我国的钢结构企业发展较晚，在实际设计当中对很多的施工细节可能要经过多次的运算才能确定，再加上很多的工作人员施工经验不丰富，导致施工效果不理想，整体的结构稳定性不高，所以需要设计人员进一步学习钢结构的知识，改变设计观念，对现在所存在的问题进行完善，确保提高工程的设计质量，推动我国门式刚架新型钢结构的进一步发展。
参考文献
[1]梁汇溪大跨度[J式刚架斜梁塑性承载力应用研究[D]沈阳:沈阳大学,2017.
[2]张博.大跨度门式刚架结构设计与分析[D]邯郸河北工程大学,2014.
[3]董超超大跨度[J式刚架抗风优化设计研究[D].广州:广州大学,2012.
[4]潘哲霖大跨度轻钢厂房结构设计[J].浙江建筑,2011,28(03):19-21.
一、结构方案设计
1、厂房平面设计
柱距为6m，横向定位轴线用①、②…表示，间距取为6m，纵向定位轴线用ⓐ、ⓑ、ⓒ表示，间距取跨度尺寸，即ⓐ~ⓑ轴线距离为18m，ⓑ~ⓒ轴线距离为24m。
为了布置抗风柱，端柱离开（向内）横向定位轴线600mm，其余排架柱的形心与横向定位轴线重合。
ⓐ~ⓑ、ⓑ~ⓒ跨的吊车起重量等于20t，ⓐ、ⓒ列柱初步采用封闭结合，纵向定位轴线与边柱外缘重合。
是否采用非封闭结合以及联系尺寸取多大，需根据吊车架外缘与上柱内缘的净空尺寸B₂确定。
B₂= λ-(B₁+B₃)应满足：
B₂≥ 80mm Q≤50t
对于20t吊车，B₁=260mm
假设上柱截面高度400mm，则B₃=400mm
对于ⓐ、ⓒ列柱，B₂=750-(260+400)=90mm>80mm,满足要求。
对于等高排架，中柱上柱截面形心与纵向定位轴线重合，吊车架外缘与上柱内缘净空尺寸能满足要求。
厂房长度66m，小于100m，可不设伸缩缝。
2、构件选型及布置
(1)屋面构件
①屋面板和嵌板
屋面板的型号根据外加屋面均布面荷载（不含屋面自重）的设计值，查92G410(一)。当屋架斜长不是屋面板宽1.5m的整数倍时，需要布置嵌板。嵌板查92G410(二)
荷载：
两毡三油防水层 1.2 x 0.35 = 0.42KN/m²
20mm 厚水泥砂浆找平层 1.2 x 0.02 x 20 = 0.48KN/m²
屋面均布活载（不上人） 1.4 x 0.5 = 0.70KN/m²
雪载 1.4 x 1.0 x 0.5 = 0.70KN/m²
小 计 1.60KN/m²
采用预应力混凝土屋面板。根据允许外加均布荷载设计值1.60KN/m²，查图集，中部选用Y-WB-1Ⅱ，端部选用Y-WB-1ⅡS，其允许外加荷载1.99KN/m²>1.60KN/m²，板自重1.40KN/m²。
嵌板采用钢筋混凝土板，查表，中部选用KWB-1。端部选用KWB-1s。其允许外加荷载3.35KN/m²>1.60KN/m²。板自重1.70KN/m²。
②天沟板
当屋面板采用有组织派水时，需要布置天沟。对于单跨，既可以采用外天沟，也可以采用内天沟。对于多跨，内侧只能采用内天沟。
天沟的型号根据外加均布线荷载值查92G410(二)。计算天沟的积水荷载时。按天沟的最大深度确定。同一型号的天沟板有三种情况：不开洞、开洞和加端壁。在落水管位置的天沟板需要开洞，分左端开洞和右端开洞，分别用“a”、“b”表示，厂房端部有端壁的天沟板用“sa”，“sb”表示。
本例在②、④、⑥、⑧、⑩轴线外设置落水管。
内天沟宽度采用620mm，外天沟的宽度采用770mm。
外天沟荷载：
焦渣硂找坡层 1.2 x 1.5 x 0.77 = 1.39KN/m²
两毡三油防水层 1.2 x 0.35 x 0.77 = 0.32KN/m²
20mm 水泥砂浆找平层 1.2 x 0.02 x 20 x 0.77 = 0.37KN/m²
积水荷载 1.4 x 10 x 0.13 x 0.77 = 1.40KN/m²
屋面均布活载 1.4 x 0.5 x 0.77 = 0.54KN/m²
小 计 3.48KN/m²
查表，一般天沟板选用TGB77-1，开洞天沟板选用TGB77-1a或TGB77-1b，端部位TGB77-1sa，或TGB77-1sb，允许外加荷载4.13KN/m>3.48KN/m,自重2.24KN/m²。
同理，可求得内天沟外加荷载设计值2.81KN/m,查表，一般天沟板选用TGB662-1，开洞天沟板选用TGB62-1a或TGB62-1b，端部为TGB62-1sa或TGB62-1sb，允许外加荷载3.16KN/m>2.81KN/m²，自重2.06KN/m²。
(2)屋架及支撑
屋架型号根据屋面荷载设计值，天窗类别，悬挂吊车情况及檐口形状选定。跨度较小时可采用钢筋混凝土折线型屋架，查95G314。跨度较大可采用预应力折线型屋架，查95G414。
本例不设天窗，代号为a，檐口形状为一端外天沟，一端内天沟，代号为D。
屋面荷载：
屋面板传来的荷载 1.60KN/m²
屋面板自重 1.2 x 1.4 = 1.68KN/m²
灌缝重 1.2 x 0.1 = 0.12KN/m²
小 计 3.40KN/m²
18m跨采用预应力混凝土屋架，中间选用YWJ-18-1Da，两端选用YWJ-18-1Da’，允许外加荷载3.5KN/m²>3.40KN/m²，自重67.6KN。
24m跨采用预应力混凝土屋架，中间选用YWJ-24-1Da，两端选用YWJ-24-1Da’，
允许外加荷载3.5KN/m²>3.40KN/m²，自重104.66KN。
对于非抗震及抗震方针设防烈度为6、7度，屋盖支撑可按附图一布置。
当厂房单元不大于66m时，在屋架端部的垂直支撑用CC-1表示，屋架中部的垂直支撑用CC-2表示，当厂房单元大于66m时，在柱间支撑外的屋架端部加竖向支撑CC-3。屋架中部的水平系杆用GX-2表示。屋架上弦横向水平支撑用SC表示，当吊车起重量较大，有其他振动设备或水平荷载对屋架下弦产生水平力时，需设置下弦横向水平支撑。下弦横向水平支撑用XC表示。当厂房设置托架时，还需布置下弦纵向水平支撑，本例不需设纵向水平支撑。
（3）吊车梁
吊车梁型号根据吊车的额定起重量，吊车的跨距（Lk=L-2λ）以及吊车的载荷状态选定。其中，钢筋混凝土吊车梁可查95G323，先张法预应力混凝土吊车梁可查95G425，后张法预应力混凝土吊车梁可查95G426。
对于18m跨，吊车起重重量为20t，重级载荷状态，Lk=18-2x0.75=16.5m，采用钢筋混凝土吊车梁，查表，中间跨采用DLZ-8Z，边跨采用DLZ-8B，梁高1200mm，自重39.98KN。
对于24m跨，吊车起重重量为20t，重级载荷状态，Lk=24-2x0.75=22.5m，采用钢筋混凝土吊车梁，查表，中间跨采用DLZ-8Z，边跨采用DLZ-8B，梁高1200mm,自重39.98KN。
（4）基础梁
基础梁型号根据跨度，墙体高度，有无门窗洞等查93G320。
墙厚240mm，突出于柱外。查表，纵墙中间选用JL-3，纵墙边跨选用JL-15，山墙6m柱距选用JL-14。
（5）柱间支撑
柱间支撑设置在⑥、⑦轴线之间，支撑号可查表97G336。首先根据吊车起重重量，柱顶标高，牛腿顶标高，吊车梁顶标高，上柱高，屋架跨度等查处排架号，然后根据排架好喝基本风压确定支撑型号。查表，柱间支撑选用
（6）抗风柱
抗风柱下柱采用工字形截面，上柱采用矩形截面。抗风柱的布置需考虑基础梁的最大跨度。18m跨、24m跨的抗风柱沿山墙等距离布置，间距为6m。
3、厂房剖面设计
剖面设计的内容是确定厂房的控制标高，包括牛腿顶标高，柱顶标高和圈梁标高。
牛腿顶标高等于轨顶标高减去吊车梁在支撑处的高度和轨道及垫层的高度，必须满足300mm的倍数。吊车轨道及垫层高度可以取0.2m。为了使牛腿顶标高满足模数要求，轨顶的实际标高将不同于标志高度，规范允许轨顶实际标高与标志标高之间有±200mm的差值。柱顶标高H=吊车轨顶标高HA+吊车轨顶至桥架顶面的高度HB+空隙HC，空隙HC不应小于220mm，吊车轨顶至桥架顶面的高度可查95G323，柱顶标高同样满足300mm的倍数。
由于工艺要求，轨顶标高为9m。
对于18m跨：
取柱牛腿顶面高度为7.5m，吊车梁高度1.2m。吊车轨道及垫层高度取0.2m，则轨道构造高度，HA=7.5+1.2+0.2=8.9，构造高度-标志高度=8.9-9=-0.1m，满足±200mm的差值要求。查表，吊车轨顶至桥架顶面的高度HB=2.099m，则H=HA+HB+HC=8.9+2.099+0.22=11.219m。为满足模数要求，取H=11.4m。
对于24m跨：
取柱牛腿顶面高度为7.5m，吊车梁高度1.2m。吊车轨道及垫层高度取0.2m，则轨道构造高度，HA=7.5+1.2+0.2=8.9，构造高度-标志高度=8.9-9=-0.1m，满足±200mm的差值要求。查表，吊车轨顶至桥架顶面的高度HB=2.189m，则H=HA+HB+HC=8.9+2.189+0.22=11.309m。为满足模数要求，取H=11.4m。
对于有吊车厂房，除在檐口或窗顶设置圈梁外，宜在吊车梁标高处增设一道，外墙高度大于15m时，还应适当增设。圈梁与柱的连接一般采用锚拉钢筋2Ø10或2 Ø12。
现在4.8m、8.7m和11.16m标高处设三道圈梁，分别用QL-1、QL-2、QL-3表示。其中柱顶圈梁可代替连系梁。圈梁截面采用240mmX240mm，配筋采用4Ø12、 Ø6@200。圈梁在过梁处的配筋应另行计算。
永年县东杨庄乡东杨庄总校杨士平同志做事不公平，为什么绩效工资，领导首先考虑个人呀，并且校长和副校长还有会计都要比一线教师高的多呀，这不公平，还说先扣完他们的，剩下的才是教师的，并且对教师的要求很严格那他们自己呢？还不是花贪污教师们的钱，带领所有校长去旅游，哈哈，太不公平了，还不让教师花自个的钱去旅游，这公平吗？我觉得杨士平、牛排、刘永丰、齐建困、杨红印、刘建勋等都应检讨
