浅谈门式刚架轻型钢结构房屋设计

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浅谈门式刚架轻型钢结构房屋设计

作者：黄宏克

来源：《现代装饰·理论》2011年第04期

门式刚架轻型钢结构是房屋建筑结构的一种。在现代城市建筑中，得到了较为广泛的运

用，已经成为现代建筑的重要结构类型。文章将从门式刚架轻型钢结构房屋设计的方法进行探

讨，包括门式刚架轻型钢结构房屋的特点、形式、设计方法等。

随着建筑技术的不断发展，建筑的结构和形式也开始朝多样化发展，无论是审美还是使用

功能都有了很大的飞跃。而多门式刚架轻型钢结构作为轻型钢架结构中的一种，在现代建筑行

业得到了很大的发展。在门式刚架轻型钢结构房屋设计方面，也有了很高的要求。这就需要设

计人员根据工程的实际情况，充分掌握门式刚架轻型钢结构房屋设计的特点、适用范围、结构

形式等，同时，还需要对门式刚架的塑性设计与计算、节点设计和支撑布置等方面的知识有充

分的了解。

1.刚架特点

刚架结构是梁柱单元构件的组合体，形式种类多样。根据不同的建筑，又有不同的使用范

畴。一般而言，单跨、双跨或多跨的单、双坡门式刚架，在单层工业与民用房屋的钢结构中，

应用较多。

单跨、双跨门式刚架的斜梁和柱常为刚接，而柱的底部多数为铰接。在工程需要的情况

下，在多跨刚架中间柱与斜梁的连接部，可以考虑采用铰接。而多跨刚架，通常需要采用双坡

或单坡屋盖，如果工程有需要，也可采用由多个双坡单跨相连的多跨刚架形式。

与屋架结构相比，门式刚架的整个构件的截面尺寸较小，这样就方便我们更好、更有效地

利用建筑空间，不仅能够有效的降低房屋的高度，也可以有效的减小建筑体积，同时也对建筑

造型起到美观作用。

一般的门式刚架用于跨度为9~36m、柱距为6m、柱高为4．5~9m，而且设有起重量较小

的悬挂吊车的单层工业房屋，或者公共建筑。需要架设桥式吊车时，其起重量控制在20t以

内，属于A1～A5中、轻级工作制吊车；而在设置悬挂吊车时，起重量控制在3t以内。

2.结构形式

从类型上看，门式刚架的结构形式有很多种。按构件体系分，有实腹式与格构式；按横截

面形式分，有等截面与变截面；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。一

般来说，实腹式刚架的横截面是工字形，当然，也有少数是z形；而一般而言，格构式刚架的

横截面是矩形或者三角形。

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2.1建筑尺寸

通常情况下门式刚架轻型房屋钢结构的尺寸应该满足下列规定：1）门式刚架的跨度取值

标准为，横向刚架柱轴线间的距离。2）门式刚架的高度的取值标准，应该是地坪至柱轴线与

斜梁轴线交点的高度。当然，具体的高度需要安装使用要求的内净高确定。3）在柱的轴线选

择上，一般可以通过柱下端中心的竖向轴线。如果是工业建筑边柱的定位轴线，则应该考虑取

柱外皮。斜梁的轴线可取通过变截面梁段最小端中心与斜梁上表面平行的轴线。4）门式刚架

轻型房屋的檐口高度，应该按照地坪至房屋外侧檩条上缘的高度来取定。其最大高度，一般由

地坪至屋盖顶部檩条上缘的高度决定，而房屋侧墙墙梁外皮之间的距离，则为宽度应取的距

离，长度则按照两端山墙墙梁外皮之间的距离作为标准取值。

通常来说，门式刚架的跨度应该为9~36m，如果边柱的宽度不等，那就需要把外侧对齐。

而一般的高度应该在4．5~9．0m之间，如果有桥式吊车时，就不能超过12m。间距，也就是

柱网轴线在纵向的距离一般要采用6~9m。挑檐长度可根据使用要求确定，但是通常是在为

0．5~1．2m之间取值，其上翼缘坡度宜与斜梁坡度相同。

2.2结构平面布置

（1）门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度必须要满足这两个规定：1）纵向温度区段

不大于300m；2）横向温度区段不大于150m。当然，这只是参照值，如果有计算依据和需要

时，温度区段长度可根据工程的实际需要适当加大。

（2）在多跨刚架局部抽掉中间柱，或者边柱处需要考虑布置托架梁。

（3）屋面檩条的布置应考虑天窗、屋面材料、采光带、通风屋脊、檩条供货规格等因素

的影响，屋面压型钢板厚度和檩条间距应按计算确定。

（4）山墙可设置由抗风柱、斜梁、墙梁及其支撑组成的山墙墙架，或采用门式刚架。

3.门式刚架的塑性设计与计算

3.1门式刚架荷载

门式刚架的荷载一般有三类：一是屋面结构等的自重，即永久荷载；二是屋面活荷载和雪

荷载中的较大者；三是风荷载。在一般的弹性设计中，可以根据各类荷载单独计算刚架中的内

力，最后再有目的的对各个构件进行内力组合，求出最不利的内力设计值。而在塑性设计中，

找到结构中形成机构的塑性铰位置，进而求得构件截面的塑性弯矩M，是机构分析的目的。当

然，在实际的计算中，避免对分析结果进行叠加，而是要首先进行荷载组合，然后才能进一步

对每种组合进行内力分析。

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因为屋面部分风荷载的体型系数是负值，风力为吸力，其方向是与屋面活荷载或雪荷载相

反的，所以，在进行无吊车荷载的门式刚架设计时，需要考虑的荷载基本组合为两个：1）永

久荷载+屋面活荷载（或雪荷载）；2）永久荷载+屋面活荷载（或雪荷载）+风荷载。要特别

强调的是，对于“永久荷载+风荷载”，通常情况下不需要进行控制组合，只有当风荷载特别

大，而且可能产生内力变号的情况下，才有必要进行考虑。

3.2门式刚架的机构分析

利用简单塑性理论进行刚架内力分析的方法很多，本文只介绍较为常用的静力法。所谓的

静力法，指的是通过求解静力平衡方程，来确定塑性铰位置和塑性弯矩的方法。具体的步骤

是：1）为了形成静定结构，应该去除构件中的超静定赘余反力，然后绘制荷载作用下此静定

结构的弯矩图。2）把赘余反力作用在静定刚架上，然后在根据具体要求画出由赘余反力产生

的弯矩图。3）把前面的两弯矩图叠加，求得成机构的塑性铰位置，求得截面的最大全塑性弯

矩MP。按照唯一性原理，塑性分析的唯一结果，也就是在破坏情况下的弯矩分配必须要同时

符合平衡、机构、屈服这3个条件。

根据上述静力法的分析，一定可以使得平衡条件和机构条件得到满足，当然，如果找错了

塑性铰位置，那就很有可能在所确定的塑性铰位置以外的其他截面上产生大于MP的弯矩，此

时，也就完成背离了屈服条件。所以，求得MP后，还需要进行检查，确保构件的任何一个截

面的弯矩的绝对值不超过MP。

3.3门式刚架的截面设计

一般来说，在完成通过内力分析确定截面的塑性弯矩MP后，就可以接着进行截面的初

选。尽管门式刚架的柱子和斜梁都是压弯构件，但是，根据相关的原理，我们在进行截面的初

选时，仍然可以将它们各看做受弯构件，也就是要忽略轴力的影响。而对于纯弯构件，在荷载

使梁处于全塑性工作阶段的背景下，截面上的应力图形为两块矩形，形成塑性铰，截面上的弯

矩为全塑性弯矩，简称塑性弯矩，记为 （式中： 为塑性截面模量， 为截面形状系数，Wｐ为

弹性截面模量，对工字形截面 =1.10~1.17，随截面尺寸不同而变化）。引入荷载分项系数和抗

力分项系数后，得： 。由此可求得所需构件截面的弹性截面模量： ，由 即可初选构件的截

面。

4.结语

总之，门式刚架轻型钢结构房屋设计是一个较为复杂的体系，在设计中需要顾及很多方面

的内容，需要按照各种原理进行，设计人员只有对门式刚架轻型钢结构的特点、分类，以及使

用范围，才能更好的在设计中发挥出门式刚架轻型钢结构的优势。

参考文献

[1] 邱冬瑞. 门式刚架轻钢结构优化设计及程序开发[D]. 北京工业大学，2008.

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[2] 褚云朋. 门式刚架加强型节点试验研究与有限元分析[D]. 兰州理工大学，2007.

（作者单位：广西华桂建筑安装工程有限责任公司广西百色531400）