浅谈门式刚架工业建筑的设计？
1.1列网格布局
因此，刚架的间距和跨度可根据工艺要求灵活确定。通过大量工程实例的分析比较，表明采用15m ~ 36mm的刚架跨度和6m ~ 9m的刚架间距较为经济合理。由于在风荷载作用下计算门式刚架工业建筑的结构构件时，边缘区的风荷载体型系数一般大于中间区，为了统一同一建筑内各柱距的屋面檩条和墙体檩条的模型，
1.2支撑系统
单层轻钢结构工业厂房钢排架的抗侧刚度相对较弱。为了抵抗水平风荷载、吊车制动荷载和地震，在有柱间支撑的开间应设置横向顶板支撑，形成几何不变的体系，最好在温度区段末端的第一个开间设置柱间支撑。柱间距应根据建筑物的柱距、吊车条件和安装条件确定。一般无吊车的工业建筑柱间距不应超过45m，有吊车的工业建筑柱间距不应超过60 m。
1.3外壳系统
轻钢结构工业建筑的维护体系由最外层的压型彩钢板和内部的主刚架、山墙抗风柱、屋面檩条、墙体檩条等主次结构组成。屋面压型彩钢板宜沿垂直于刚梁方向布置，墙体压型彩钢板多沿垂直于刚柱方向布置。屋面檩条与墙体檩条的间距主要由自身在各种外荷载作用下的强度、稳定性和刚度以及外压型钢板的面外刚度决定。当屋面双檩条用作屋面支撑之间的刚性拉杆时，屋面檩条的设置应结合山墙抗风柱的位置考虑，使每个抗风柱顶部的刚架梁上翼缘对应位置都有檩条，便于设置屋面双檩条。墙体檩条的间距也受门窗尺寸的影响。门窗过大时，应加强墙体檩条。
2门式刚架轻钢结构工业建筑结构设计要点
2.1钢材类型的选择
虽然我国生产的碳钢有100多种，合金钢有300多种，但由于轻钢结构对强度高、变形能力足、加工性能好的要求，真正适合轻钢结构的只有少数碳钢和合金钢。当采用设计规范中未推荐的其他钢材时，应有可靠的依据保证轻钢结构的安全。大量工程经验表明，普通钢中的Q235钢和合金钢中的Q345钢是最适合轻钢结构的钢材。焊接工序较多的主要结构构件，如刚架、吊车梁等，宜采用Q235B级钢或Q345B级钢。根据目前市场的钢材价格，如果刚架的跨度和间距较小，荷载较小，吊车吨位较小，则刚架和吊车梁应采用Q235B级钢，否则应采用Q345B级钢，檩条、支撑、抗风柱等次要结构件可采用Q235A级钢，焊接工艺较少。
2.2承重柱
轻钢结构工业建筑的承重柱一般多为焊接工字形柱或热轧H形柱。无吊车的低层工业建筑宜采用楔形变截面柱，柱脚小，柱顶大。有大吨位吊车的工业建筑宜采用等截面柱。当大吨位起重机的高度、跨度、风荷载相近时，宜采用梯形立柱。在肩梁或支架下方，应有较大的等截面工字形柱或格构柱、肩梁或横梁。上下立柱通过肩梁或支架连接成一体。上柱的内翼缘应以槽的形式直接插入肩梁或支架的下翼缘，并与之满焊。
2.3承重梁
轻钢结构工业建筑的承重梁多为焊接工字形柱或热轧H形截面。除满足强度、稳定性、挠度、翼缘宽厚比和腹板高厚比的要求外，还应合理改变和分段截面尺寸，以达到经济、合理、运输和安装方便的要求。如弯曲距离变化大的梁可采用楔形变截面，弯曲距离变化小的梁应采用等截面。
2.4吊车梁
考虑到钢材强度高、钢构件稳定性差的特点，吊车梁一般设计为单轴对称焊接工字形截面，上翼缘宽而厚，下翼缘窄而薄。当吊车梁跨度较大时，吊车梁也可设计成两端在跨中逐渐增大的鱼腹梁，吊车梁上翼缘应采用制动梁或制动桁架作为侧向支撑。由于吊车梁承受垂直、水平和竖向荷载，设计中应采用良好的连接方式来传递三维荷载。如用一对间距较小的高强度螺栓连接吊车梁和支架时，传力安全可靠，不改变简支梁的特性。
2.5屋顶横向支撑
一般屋面横向支撑可采用带张紧装置的十字圆钢，交叉角度应在30° ~ 60°范围内，接近45°为宜。刚性系杆应设置在同一开间的两个相邻横向支撑之间。如果屋面檩条(单檩条或双檩条)能满足受弯构件的刚度和承载力要求，屋面檩条也可用作刚性拉杆。
2.6柱间支撑
门式刚架是轻钢工业建筑的主要承重结构，其侧向刚度远小于平面内刚度，但所承受的水平力却不小，因此应通过计算确定柱间支撑的截面尺寸和连接方式。如果没有吊车或吊车吨位较小，且风荷载和雪荷载不大，可采用带张拉装置的十字圆钢作为柱间支撑，否则应采用角钢或槽钢等热轧钢材作为柱间支撑。如果柱间支撑呈十字形，交叉角度应在35 ~ 55°范围内，接近45°为宜。当阶梯形下柱截面较大时，一般宜将柱间支撑设计成两片，两片支撑之间用单根角钢压条连接。
一般来说，上部的支柱之间的支撑可以设计成一个整体。当上、下柱的高度相对柱距较大时，上、下柱的柱间支撑应分层布置，同时上、下柱之间必须设置计算的刚性拉杆，牛腿或肩梁上、下两侧柱间支撑之间的刚性拉杆可用吊车梁代替。支架的连接应采用焊接或高强度螺栓连接。大量的分析和研究表明，许多钢结构施工事故的主要原因不是构件强度不足，而是构件整体稳定性丧失。因此，支撑和刚性拉杆等侧向构件的计算和构造是轻钢结构工业建筑设计的一个重点。
2.7檩条和抗风柱
当屋面檩条和墙体檩条的跨度和荷载都不大时，一般采用C形或Z形冷弯薄壁型钢。屋面檩条的力学计算模型是受双向弯曲的简支梁或连续梁。当屋面檩条同时用作刚性拉杆时，也应具有压弯构件所必需的刚度和承载力，否则应采用钢管、钢筋或其他型材作为刚性拉杆。为了达到轻钢建筑的整体美观，压型彩钢板、砖墙或砌块墙的防腐、防撞效果多用于室内地面以上一定高度范围内的墙体，墙体上的压型彩钢板底部可固定在砖墙或砌块墙顶部的钢筋混凝土压顶上。同时，考虑到压型彩钢板本身在平面内具有较大的刚度，墙体檩条的力学计算模型可视为只承受水平风荷载而不承受竖向荷载的简支梁或连续梁。
屋顶檩条和墙檩条也应根据相关规范设置支撑、撑条和角撑。屋面檩条和墙体檩条在跨度和荷载较大时应采用轻型槽钢和工字钢，屋面檩条也可采用角钢制作的桁架。由于抗风柱上的竖向力远小于水平力，力学计算模型可简化为单向弯曲的简支梁，抗风柱可采用热轧H型钢截面。
2.8节点结构
单层轻钢结构工业建筑的梁、柱多采用焊接工字钢或热轧工字钢。在弱轴方向，钢柱与侧向构件的连接多为铰接，而在强轴方向，钢柱与钢梁的连接多为刚性。无吊车或吊车吨位较小时，钢柱脚与基础铰接，吊车吨位较大时，钢柱脚与基础刚性连接。为解决钢柱脚的防腐问题，钢柱脚通常采用低标号细石混凝土包裹(保护层厚度不应小于50mm)，包裹混凝土应高出室内地面100 mm ~ 150 mm，并在包裹柱脚的混凝土中设置少量水平环形箍筋和竖向立筋，以避免裂缝。
3.基础如果场地地质条件较好，轻钢结构工业建筑的基础一般采用柱下独立基础。由于室内地面以上或窗台以下一定范围内的墙体多为砌体墙，墙下一般采用现浇钢筋混凝土基础梁来承载砌体墙，能有限地抵抗地基的不均匀沉降。同时，由于室内外高差的存在，基础梁还起到挡土的作用。如果场地地质条件较差，但没有大吨位的吊车荷载作用在刚架立柱上，可优先考虑采用合适的地基处理方法，以抵抗地基的不均匀老化。如果场地地质条件较差，有大吨位的吊车荷载作用在刚架立柱上，且地基不均匀沉降造成吊车爬升的问题无法用地基处理方法解决时，可采用现浇钢筋混凝土条形基础或桩基础。采用桩基础时，应根据当地实际情况选择经济合理、安全可靠的桩型，如有条件时可先采用钢筋混凝土预制管桩。考虑到轻钢结构工业建筑钢柱脚轴力小、弯矩大的特点，一般将桩帽底部刚架平面内的桩间距设计得较大是经济合理、安全可靠的。
3.分析使用软件计算时的建模技巧和计算图文
目前，在实际设计中广泛使用的门式刚架计算机软件有中国建筑科学研究院开发的PKPM系列软件的STS模块。因此，本文根据STS模块中门式刚架的二维设计，介绍了门式刚架的建模技巧和计算图档分析。
3.1模型建立
门式刚架的轴线可以通过网格生成中的各种工具栏绘制，也可以通过模块化输入跨数、跨度、单双坡、坡度、柱顶标高、牛腿标高、屋面坡度等信息快速建模生成。它省时、省力、快速、准确。钢梁分段时，梁段拼接节点应尽可能设置在弯矩较小的部位，梁段长度和数量应根据刚架梁上的内力图特点、加工、运输和吊装能力等综合因素确定。楔形钢梁、柱的楔形比不宜过大。通常，当每延米的变化范围不大于60mm时，腹板可以达到较大的高厚比。在满足腹板高厚比和翼缘宽厚比的前提下，将梁柱设计成“薄而大”的截面，可以用较少的钢材获得较大的截面抵抗矩，既能控制结构变形，又能获得较好的经济性。
由于门式刚架结构的变形和强度对荷载比较敏感，现实地输入竖向荷载也是获得经济合理效果的关键因素。钢梁上的竖向恒载主要是屋面维护系统的自重。在实际工程中，屋面多采用轻质保温材料的夹芯板，内外带彩色防腐涂层的压型钢板厚度一般在0.6 mm以下，聚氨酯、玻璃棉等轻质保温材料厚度一般小于100mm，包括冷弯薄壁型钢檩条、水平屋面支撑、斜撑、撑杆、角撑、刚性拉杆等屋面系统的自重一般只有0.22 ~ 0.30 kN/m2。单层压制彩涂板无保温的仓库，屋面系统自重更小，一般只有每平方米0.650 kN。
钢梁上的竖向可变荷载主要有两种，一种是钢梁上的设备悬挂荷载，另一种是屋面集尘荷载和雪荷载。设备悬挂荷载根据实际情况输入到钢梁上。至于集尘负荷，仅在设计水泥生产、金属冶炼等粉尘污染较重的工业建筑或沙尘暴频发地区时，才考虑其对结构的影响。另外，大部分轻钢结构工业建筑的屋面可变荷载只能考虑雪荷载对结构的影响。当单个刚架的水平荷载投影面积大于60平方米时，可不按《建筑荷载设计规范》选取可变荷载。合理的可变荷载值应是，当雪荷载大于0.30 kN/m2时，可变荷载可根据实际雪荷载选取，当雪荷载小于0.30 kN/m2时。可变荷载可按每平方米0.30KN取值，当单榀刚架水平荷载投影面积不大于60平方米时，根据《建筑荷载设计规范》应取0.50KN每平方米。
在输入风荷载时，要正确判断地面粗糙度类别。如果是自动排列输入风荷载，需要注意的是，对于自画轴线搭建的刚架，要检查柱脚标高是否为±0.000；在输入吊车荷载时，要准确输入吊车最大轮压对柱托架的反力、吊车最小轮压对柱托架的反力、吊车横向荷载对两侧立柱的水平力，还要考虑吊车梁自重对刚架产生的附加竖向荷载和附加弯矩的影响。
钢构件的计算长度是影响稳定计算结果的主要因素。刚架梁、柱的平面外计算长度一般取侧向支撑点之间的距离，满足计算和构造要求的屋面角撑与柱之间的长刚性拉杆可分别作为刚架梁、柱的侧向支撑点。同时，施工图中角撑与刚性系杆的距离不应大于模型中刚性框架梁、柱的平面外计算长度。除无吊车或吊车吨位小、个别摆柱外，不宜大量设置铰接头。
计算参数的输入主要是合理选择结构型式和设计规格。对于高度不超过12m，吊车吨位不超过20t的门式刚架结构型式，可选用门式刚架轻型房屋钢结构，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》计算。根据大量工程实践，门式刚架轻型房屋钢结构也可选用高度为12 ~ 15m，吊车吨位为20 ~ 32t的门式刚架结构型式，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》计算，按《钢结构设计规范》校核。门式刚架的梁应进行压弯验算平面内的整体稳定性，活载应考虑不利布置对结构的影响。
3.2计算图形和文本的分析
计算结果的分析是模型误差修正和优化设计的主要依据，设计人员应仔细对比分析计算的图形和文字。模型误差修正主要是通过分析计算图片和文字有无异常情况来判断模型的正确性。比如发现钢柱支架位置的轴力包络图没有大的突变，很可能是模型中遗漏了吊车荷载；如果只有应力比图中的面外应力比远远超标，首先要检查模型中的面外计算长度是否正确；超限信息计算中对变截面构件腹板高厚比的控制远严于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的要求，这很可能是因为变截面构件的楔形比过大。
优化设计主要是根据应力比图、挠度图、位移图来调整刚架梁、柱的截面尺寸，以获得最佳的经济效果。当抗弯承载力超过限值时，调整截面高度远比增加翼缘和腹板厚度更有效。当平面外稳定应力超过极限时，调整翼缘宽度远比加厚翼缘厚度有效。不受强度控制的刚架应采用低强度碳钢。
主要受强度控制的刚架应采用高强度合金钢。当翼缘宽厚比和腹板高厚比超限时，采用低强度钢比高强度钢更有效。将刚架的柱脚与梁柱节点设计成刚性节点比设计成铰接节点更能减小刚架的变形。对于30m以上的大跨度刚架，钢梁的挠度应严格控制在轻钢规程要求以上。刚架优化设计的实质是在试验结果的基础上，在模型与实际工程一致、不遗漏荷载输入、合理选择计算参数的前提下，使所有计算指标同时接近相关规范规定的控制值，并留有适当的安全裕度的过程。
轻钢工程十几年的发展历程表明，其设计看似简单，但实际上是设计者将大量新工艺、新材料、新技术等系统工程有机整合，其设计思路更容易受到市场变化、技术创新、施工水平差异、自然环境差异的影响。所以好的设计要立足现实，因地制宜，随时掌握行业动态，切不可脱离实践。
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