门式刚架

1.1 门刚简介及特点

门式刚架为一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆等构件。门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。

门式刚架特点：

① 受力简单、传力路径明确。

② 构件制作快捷，便于工厂化加工，施工周期短。

③ 结构坚固耐用、建筑外型新颖美观、质优价宜、经济效益明显。

④ 柱网尺寸布置自由灵活，能满足不同气候环境条件下的施工和使用要求。

1.2 门刚各构件组成及内容

  门刚主要构件有：门架柱、门架梁、檩条、拉条、隅撑、系杆、柱间支撑、屋面支撑等。

门架柱：是用钢材制造的柱，钢柱按截面形式可分为实腹柱和格构柱，是用于支撑整个建筑物的核心。

门架梁：用钢材制造的梁，可以用热轧成型的工字钢或槽钢等制成(见热轧型钢），当荷载和跨度较大，采用型钢截面不能满足强度、刚度或稳定要求时，则采用组合梁。

檩条：垂直于屋架或椽子的水平屋顶梁，用以支撑椽子或屋面材料，常用的檩条有实腹式和轻钢桁架式两种。

拉条：钢结构骨架之间的圆钢螺杆，拉条为檩条的平面外支承点，因此拉条所受拉力即为檩条承受的水平荷载。

隅撑：梁与檩之间、柱与檩之间的支撑杆。墙面上的叫墙隅撑，屋面上的叫屋面隅撑。隅撑与钢架构件腹板的夹角不宜大于45度。

系杆：沿竖向支撑平面内的屋架下弦或上弦节点处，在不设置竖向支撑的屋架之间沿房屋纵向设置的水平通长连系杆件。

屋面水平支撑：形成局部刚域，抵抗在柱间和屋面梁间传递的水平力作用。

柱间支撑：是为保证建筑结构整体稳定、提高侧向刚度和传递纵向水平力而在相邻两柱之间设置的连系杆件。

 

1.3门刚优化设计

（1）屋面坡度的优化选择

对于单跨刚架，一种较好的减少刚架重量的方式是增大屋面坡度，坡度越大用钢量越节省。

对于多跨框架来说情况就不同了，坡度大反而会增加框架用钢量，这是由于大的坡度将导致内柱长度增加。当建筑物跨度较大时，坡度增加能降低屋面钢梁的挠度。

经济坡度为：

多跨	单跨（跨度＜45m）	单跨（跨度＜60m）	单跨（跨度＞60m）
1:20	0.5:10	1.5:10	2:10

当然还与女儿墙有关，坡度增加女儿墙造价增加。

（2）柱距的优化选择

①标准荷载作用下（屋面活载0.3KN/m2，基本风压0.5KN/m2）的最经济柱距是8～9m，超过9m时，屋面檩与墙架体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。

②对于带有10吨以上行车的厂房，经济柱距应该是6～7m。

③采用不等柱距时，应尽量将端跨柱距布置得比中间跨小。

（3）跨度的优化选择

不宜盲目追求大跨度，宜根据具体要求选择经济跨度。

当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨刚架节约40%以上。

（4）温度区段的优化设计

根据轻钢规程，最大纵向长度不大300m，横向不应大于150m。纵向温度区段的伸缩缝设置可采用双柱布置，或者将檩条连接采用椭圆孔的单柱伸缩缝。

（5）檐口高度的优化选择

檐口高度由以下因素决定：

① 檐口处的净高要求；

② 有夹层时，夹层的净高要求及夹层梁高度；

③ 有吊车时，吊车梁及吊车吊钩高度。

（6）支撑设置的优化选择

①支撑的间距一般不宜超过5跨；当无吊车时宜取30~45m，有吊车时，间距一般不宜大于60m。

②在同一柱列，不应将不同类型的支撑混用，否则刚度小的支撑受力小，起不到应有的作用，而刚度大的支撑由于超负荷工作而破坏。柱间支撑应优选选择使用交叉支撑。

③下列情况柱间支撑需要分层设置。

1）当有高低跨时（或带有通长大雨蓬时），需要在高低跨处（或大雨蓬处）分层设置柱间上支撑和下支撑（见a)。

2） 当檐口高度大于9m,可根据支撑的夹角设置双层柱间支撑，交叉支撑与水平面的夹角以45°为佳，不宜大于55°。

3）有吊车时，需在吊车梁处分层设置柱间上支撑和下支撑。端开间可不设下层支撑以减少吊车梁的温度应力（见b)。

 

1.4门式刚架常见问题

（1）钢柱脚未采用混凝土包裹防护。

原因：地面以下的钢柱脚若不用混凝土包裹,柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀，对结构存在着安全隐患。

改进措施：《钢结构规范》第8.9.3条（强制性条文）规定，对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50mm），包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。 当柱脚底面在地面以上时，柱脚高出地面的高度不应小于100mm。

（2）屋面横向水平支撑与柱间支撑未布置在同一跨间内。

原因：置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系，既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用，又方便于门式刚架结构的施工安装。

改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.1条第2款和第4.5.2条第1款的规定，宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间，在布置柱间支撑的开间，宜同时布置屋面横向水平支撑，如图3.2.1所示。 当无法布置在同一跨间时，可布置在相邻跨间，有一定搭接区，但这种情况在温度区段内只能是个别的，否则应对整个支撑系统重新合理布置。

 

（3）在刚架转折处(边柱柱顶和屋脊、多跨房屋中间柱柱顶)，未沿房屋纵向全长设置刚性系杆。

原因：在刚架转折处设置刚性系杆，除了承受压力和传递纵向水平力外，在安装过程中可增加刚架的侧向刚度，保证结构安全。

改进措施：根据《门式刚架规程》CECS102第4.5.2条第5款的规定，在刚架的边柱柱顶和屋脊处及多跨房屋适当位置的中间柱柱顶处，均沿房屋全长设置通长的刚性系杆；不宜由加强的檩条代替刚架转折处的刚性系杆，如图3.2.1所示。

（4）屋面横向水平支撑的节点未与抗风柱布置相应协调。

原因：屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处，可以使抗风柱柱顶的反力直接传递，避免刚架斜梁受扭。

改进措施：首先根据房屋的使用要求布置抗风柱，然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面横向水平支撑桁架的节点及支撑杆件；因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面横向水平支撑的节点，屋面横向水平支撑的交叉斜杆为柔性拉杆，与刚架斜梁的连接较为简单，可以不必等间距布置，这是门式刚架与普通屋架不同之处。在抗风柱与刚架斜梁连接处，刚架斜梁下翼缘应设隅撑。

 

 

（5）压型钢板薄壁型刚檩条屋面，当檩条跨度大于4m时，未合理设置拉条、斜拉条及撑杆体系。

原因：冷弯薄壁型钢檩条通常采用Z型钢和卷边槽钢檩条，由于其重心高，弱轴抗弯能力差。当檩条跨度大于4m时，应设置拉条、斜拉条及撑杆体系，以提高其侧向刚度与承载力，减少其在安装和使用阶段的侧向变形和扭转。

改进措施：为了承受屋面的坡向分力，在屋脊处(有天窗时在天窗处）亦应增设斜拉条和撑杆；当屋面坡面过大时，在檐口和屋脊之间的适当位置必要时也宜增设斜拉条和撑杆。当门式刚架跨度不大、屋面对称屋脊布置且坡度较小时，屋脊处可不设斜拉条和撑杆。拉条应根据最大的屋面坡向分力按拉杆计算确定，撑杆则按压杆设计，如图3.2.7所示。

 

（6）檩条和墙梁设计计算时，未按《门式刚架规程》的附录A计算风荷载，也未考虑风吸力的不利影响。

原因：门式刚架轻型钢结构房屋属于低矮房屋范畴，进行风荷载计算时所需要的风荷载体形系数，由于我国现有的资料不完备。

改进措施：进行门式刚架轻型钢结构房屋檩条和墙梁设计计算时，取自《荷载规范》第7.1.2条的基本风压值应乘以1.05的综合调整系数，风压高度变化系数按《荷载规范》第7.2.1条和第7.2.2条的规定采用，当高度小于10m时，按10m处的数值采用；风荷载体型系数，考虑内、外风压最大值的组合，且含阵风系数，按《门式刚架规程》附录A的A.0.2条的规定采用。

（7）门式刚架轻型钢结构房屋的刚架立柱随意改为钢筋混凝土柱，仍按门式刚架结构体系进行设计，会造成工程事故。

原因：门式刚架轻型房屋钢结构是一种跨变结构，其斜梁和立柱可以是变截面的，也可以是等截面的，立柱与基础的连接可以铰接，也可以刚接，但斜梁与立柱必须刚接。钢筋混凝土排架结构则不同，它的屋面主构件可以是钢筋混凝土梁或钢梁，也可以是钢筋混凝土屋架或钢屋架，并且与钢筋混凝土柱顶铰接，钢筋混凝土柱脚则与基础刚接。

改进措施：

①不得随意将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱，也就是说不得随意改变结构的材料和体系；

②当必须将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱时，钢筋混凝土柱必须与基础刚接，钢斜梁与柱顶应按能承受水平推力的铰接连接进行构造设计，所构成的跨变排架结构应重新进行内力分析，除应重新验算斜梁的承载力外，还应按承载力和柱顶位移限值确定钢筋混凝土柱的截面尺寸和配筋，也应重新复核地基及基础的承载力。

③门式刚架下柱若改为钢筋混凝土斜梁可以设计成不带拉杆的两铰直线拱，或带拉杆的两铰直线拱。由于拱脚位移对拱肋受力的影响相当敏感，故建议带拉杆的两铰直线拱其跨度不大于30m，不带拉杆的两铰直线拱跨度不大于24m。

 

④混凝土柱按偏压构件设计，混凝土柱顶应设置圈梁，并按单层厂房要求布置支撑，柱脚应为刚接。如下图：

 

（8）未复核柱脚底部水平剪力能否由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，当摩擦力不足时，应设柱脚抗剪键。

原因：根据《门式刚架规程》CECS102第7.2.20条规定，柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。

改进措施：按《门式刚架规程》的规定，复核柱脚底部的水平剪力是否可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受，当摩擦力不足时，柱脚底板下应加焊抗剪键。柱脚底部的水平剪力和摩擦力均应取可能的最不利的组合设计值。柱脚抗剪键的截面尺寸和连接焊缝应按混凝土的局部抗压和抗剪键本身的弯剪承载力计算确定。

1.5 GJG2018门刚建模

GJG2018广联达BIM钢结构算量在门刚建模方面有着无可比拟的便捷性和有效性。通过参数化门架的快捷输入，钢结构节点、檩条、拉条、支撑、系杆等构件的批量布置，能够快速建立起相应实体门刚案例的模型，并完成算量统计。

参数化门架的建立：

 

节点、檩条、拉条、支撑、系杆等的批量化布置：

 

是不是感觉相当便捷！？