大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：浅谈门式刚架的发展概况及工程应用
层 次： 专科起点本科
专 业： 土木工程
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年8月5日
目前，轻型门式刚架结构因其用钢量少，结构自重轻，施工速度快，综合经济效益高等优点，得到了迅猛的发展。往往在实际结构中，轻型门式刚架的构件与不在同一平面内的其他构件相联系，形成了三维的空间传力体系。但现有的门式刚架计算基本上以平面模型为主，难以考虑结构的空间共同作用。因此，本文分别对竖向荷载和水平荷载作用下轻型门式刚架的空间共同工作特性进行了分析研究，对影响轻钢门式刚架空间共同作用的构件选取进行了优化，以期在设计和应用中达到科学经济的目的。
关键词：门式钢架；发展；应用
目 录
钢结构通常是由型钢和钢板等制成的梁、析架、柱、板等构件组成的工程结构。各部分之间用焊缝、螺栓或铆钉连接，有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌体结构都是工程结构的不同分支。它按行业通常分为轻型钢结构!高层钢结构!住宅钢结构!空间钢结构和桥梁钢结构五大子类。
钢结构体系具有材质均匀、强度高、塑性韧性好、自重轻、密封性好、安装快捷、施工周期短、投资回收快、环境污染少等优点。与钢筋混凝土结构相比，更具有在，高、大、轻。三个方面发展的独特优势。在全球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到了合理、广泛的应用。钢结构的发展与应用和当时的钢铁冶炼技术和钢铁产量有着密切地关系。我国古代钢铁冶炼技术在世界处于领先地位，因此我国钢结构有着悠久的历史。公元前200多年的秦始皇时代就己用生铁建造桥墩，公元60年左右汉明帝时代就建造了铁链悬桥（兰津桥），在宋朝建造了13层高的湖北荆州玉泉寺铁塔。在西方随着18世纪工业革命的兴起，冶炼出了抗拉性能好于生铁的熟铁;19世纪20-30年代出现了铆钉，之后又出现铆接熟铁结构，使桥梁和其它建筑的跨度得以增大[1]。
上世纪20世纪中期，建筑钢材产量大增，钢材的冶炼水平也有了很大突破，色彩丰富、耐久性强的彩色压型钢板随之出现， H型钢和冷弯薄壁型钢相继问世，这些都极大地推动了门式刚架轻型房屋钢结构的发展。加之加工设备的不断改善，设计形式的多样化，使门式刚架轻型房屋钢结构体系逐渐应用于大型工业厂房、商业建筑及公共交通设施等。实现了结构分析、设计、出图的程序化，构件加工的工厂化，安装施工和经营管理的一体化流程。
目前，大部分国外轻钢结构公司都具有自己的门式刚架轻型房屋钢结构系列，由于门式刚架构件的刚度良好，其平面内、外的刚度差别较小，为制作、运输、安装提供了较有利的条件。结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高，运输便捷，安装方便快速，土建施工量小，综合经济效益高。在美国、日本等一些钢结构技术比较发达的国家，门式刚架轻型房屋钢结构体系已经作为一种及既经济又快捷的建筑结构体系，以商品的形式对外出售。
1.1 适用范围
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》公布以来，该类工程发展迅猛。目前，国内每年都有上千万平米的门式刚架轻钢建筑工程，主要应用范围如下[2]：
（1）单层工业厂房。门式刚架轻钢结构因其重量轻、跨度大、易于组合，是建造单层厂房的优选结构形式，厂房内可设5t以下悬挂吊车或起重量小于20t的中轻级工作制吊车。
（2）单层仓储建筑。采用门式刚架轻钢结构外形美观，库内空间大，施工周期短，改建或转向容易。因此，可广泛用于码头仓库，商品仓库及工厂各种库房。
（3）商业建筑。随着城乡经济繁荣，各种商业建筑，如超市、贸易中心、农贸市场等都要求建筑物跨度大、视野开阔，门式刚架结构是合理的结构形式之一。
（4）文娱设施和体育馆。门式刚架结构可满足大跨美观的要求，如学校内体育馆、小礼堂等。
（5）旧建筑的翻修与加层。随着经济的发展，旧建筑的翻修改造业务不断增加，如轻质隔墙和高级装修的内外墙面，在原有建筑上加层都离不开门式刚架轻钢结构。
1.2 门式刚架的发展现状
随着我国经济的快速增长及改革开放的深入，门式钢架轻型房屋行业也得到了飞速的发展。目前，门式钢架轻型房屋在各行各业的厂房仓库、超市批发市场等商店建筑、办公及学校用房、小型体育馆、训练馆和健身房、展览馆等各领域都得到非常广泛的应用。随着门式钢架轻型房屋的发展，其相应的制作安装质量也逐步提高，建筑造型也越来越美观新颖[3]。
资料显示，2010年我国的钢产量比日本、美国等排名在第2名~第10名国家的总和还要多，占到了全世界钢产量的43.3%。我国钢产量的持续增长，为我国钢结构建筑的发展奠定了坚实的基础。与此同时，进一步扩大钢结构的使用范围，大力发展应用广泛的轻型门式刚架结构，可加快我国经济建设的发展速度，促进建筑业的现代化，并为钢材消费提供可观的市场需求。
我国门式刚架轻型房屋钢结构的研究和应用起步较晚，建国初期在一些旧工厂改建时曾应用过类似门式刚架体系的结构。上世纪50年代我国大规模建设时期，为了节约钢材，则大量地采用钢筋混凝土构件。80年代后，随着外资的引进，门式刚架结构因其结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点，得到迅速发展。主要表现在两个方面：
（1）外国厂家的进入，新技术新产品的引进
1979年上海引进日本S60压型钢板成型机并用于厂房仓库的屋面，1980年上海宝钢引进日本W550、V115N压型钢板成型机，并在一期工程屋面墙面围护结构应用近60万平方米，是80年代初首次用量最大的工程。
1983年开始深圳经济开发区蛇口工业区大量引进英国、美国、澳洲和日本等国门式刚架轻型钢结构厂房仓库。随后沿海经济开发区也陆续引进国外轻钢厂房仓库。
1994年美国公司投资创建上海美建钢结构有限公司，1996年嘉定工厂建成投产。美国美联钢结构有限公司（U.S.A.公司）和美国宏宇建筑有限公司在中国建成工程数十项。
(2) 门式刚架轻型钢结构房屋在我国的发展[4]
1980年上海宝钢建设指挥部成立压型钢板压型铝板试验研究专题组，对一期工程引进的日本彩色涂层压型钢板及成型设备化吸收，试验利用国内铝合金板替代彩色涂层钢板做成压型板用于屋面墙面围护结构，经过调查及大量的试验研究，在宝钢一期工程屋面墙面推广应用铝合金压型钢板60多万平方米。
1984年冶金部建筑研究总院科研人员在学习上宝钢及深圳蛇口工业区压型钢板及门式刚架轻型钢结构国外先进技术的基础上，结合我国具体情况研究开发门式刚架轻型钢结构厂房仓库，首先用于商业部急需建设的国家棉花储备仓库，三年间在冀鲁豫三省四十多个地区，建设轻钢棉花仓库300多栋，建筑面积达20多万平方米。
冶金部建筑研究总院是国内最早进行轻型钢结构房屋研究开发的单位，院内有一批科研人员对轻型焊接H型钢、冷弯薄壁型钢、压型钢板的力学性能、加工工艺及其加工设备、另配件连接件及密封材料进行研究开发，并结合工程进行轻型钢结构建筑的设计和推广应用，主持或参加国家规程规范和标准的编制。
随着我国经济的快速增长，门式刚架轻型钢结构房屋行业也得到飞速发展，尤其在东南沿海地区，新建工厂仓库的需求增长促使轻型钢结构房屋加工安装的厂家如雨后春笋般的发展起来，从开始的小规模发展到现在的现代化大企业，杭萧钢构、浙江精工、恒达钢构、上海通用、吴泰钢构、宝钢彩板、北方空间钢构、北京福田钢构、北京多维钢构、四川恒升等企业都是专业门式刚架轻型钢结构厂家，每年的销售额都在几亿、十几亿元以上。
压型钢板夹芯板加工厂家遍布全国各地，有的厂家已经具有独自的屋面墙面围护系统，有的厂家引进国外先进设备，技术水平不断提高。目前国内的压型板板型几十种，其生产线大部分都是国内制造的。引进夹芯板生产线的厂家比较多，据不完全统计有二十多条生产线，主要从意大利、德国、韩国、澳洲等国引进。目前国内厂家也能制作夹芯板生产线。
门式刚架轻型钢结构房屋的大量应用，带动了相关配套行业的发展和兴旺，设计软件的开发，焊接型钢、冷弯薄壁型钢及压型钢板等加工设备的制造，采光瓦、零配件连接件和密封材料的生产厂家和代理也很多，技术水平都在逐步提高。
2 门式刚架的主要结构特点
门式刚架结构自重小、施工周期短、造价低等优点而为广大建筑师、结构师所接受和采用。
2.1 结构优点
门式刚架结构与其他结构形式相比，具有结构简单、受力合理、刚度良好、使用空间大及施工方便等优点，具体如下[5]：
（1）结构构件质量轻
维护结构由压型金属保温板、保温层及檩条等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。由于结构质量轻，相应的基础可以做的较小，地基处理费用也较低，同时在相同的地震烈度下结构的地震反应小。
（2）施工周期短
门式刚架的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便；除基础施工外，基本没有湿作业；构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。
（3）经济效益高
门式刚架结构通常采用计算机辅助设计，设计周期短；原材料的种类单一；构件采用先进自动化设备制造；运输方便。
（4）柱网布置比较灵活
传统钢筋混凝土结构形式于受屋面板、墙板尺寸的限制，而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。
2.2 力学模型
门式刚架的种类多种多样，柱脚和基础通常做成铰接，多跨刚架的中柱多采用摇摆柱。但当柱高度较大时，为控制风荷载作用下柱顶位移值，柱脚宜做成刚接，多跨刚架的中柱与横梁的链接也宜采用刚接，多跨刚架宜做成多坡，较为节省钢材。
门式刚架一般采用实腹式变截面梁和柱来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化；上下翼缘可用不同截面；相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此，影响整个钢架的用钢量的因素有上下翼缘的宽度、厚度；腹板的厚度；构件的大头、小头的高度；而且这些因素之间也相互影响，互不独立。柱通常为楔形杆件，楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2~3倍为最优截面。门式刚架腹板主要以抗剪为主，翼缘以抗弯为主，在无振动荷载作用下，可充分利用腹板屈曲后强度分析构件的强度和稳定性，将构件设计为高而窄的截面形式[6]。构件的平面外稳定可通过设置隅撑来保证，为使结构具有可靠的整体稳定性，纵向通常设置由十字交叉圆钢组成的屋面横向水平支撑，同时，应在柱顶和屋脊设置刚性系杆。
2.3 屋面支撑设计
钢结构厂房普遍采用的是有檩轻钢屋面，结构设计计算中不考虑屋面的蒙皮效应，只是作为结构承载安全储备。结构的空间刚度主要是由横向刚架、屋面水平支撑、柱间竖向支撑共同工作提供。
对于门式刚架水平支撑和柱间支撑的受力模型，实际上是一个空间桁架，水平支撑是一个水平桁架，柱间支撑是一个竖向桁架，是水平桁架的支座；纵向的水平力通过纵向系杆传给各榀水平支撑，再经过支座传给柱间支撑，最后传到基础。在设置水平支撑和柱间支撑时，必须把水平支撑和柱间支撑设置在同一纵向跨内，且第一道支撑和最后一道支撑必须设置在纵向第一跨和最后一跨内。什么时候设置刚性支撑，什么事后设置柔性支撑，主要取决于结构承受荷载的大小，对于有中、重型吊车的结构，采用刚性支撑；对于轻型门式刚架，可采用柔性支撑。
门式刚架结构空间整体稳定性主要由柱间支撑和屋面支撑决定，屋面支撑较柱间支撑复杂，因此，设计中应对整个结构的空间受力进行认真分析，布置合理的支撑体系，保证结构的整体稳定。屋面支撑的刚度是屋面刚度的主要影响因素。屋盖刚度越大，其承担的力越大，刚架的空间作用越大。刚架纵向柱间距和跨度增大，必须加强屋面支撑刚度才能满足屋面刚度需求。
3.1 设计与施工要点
3.1.1 设计
结构和构件应保证整体稳定和局部稳定，在可能产生最大应力的部位或区域，应避免焊接接头；节点如支撑节点、柱脚、横梁与柱节点等的破坏，不应先于构件全截面的屈服。梁与梁、梁与柱及柱脚连接要做成刚性（柱脚也有做成铰接，摇摆柱的两端都应是铰接），梁柱连接最好采用螺栓端板连接（构造简单，设计合理，可取的令人满意的节点性能）。
选材应注意选用高品质钢材，不要用沸腾钢，应保证其物理指标，对钢材中碳、磷、硫、氮等的含量应严格控制，必要时应进行抽检。设计中尽可能避免焊接连接，若实在无法避免，要将含氮量控制在0.22%以下，尤其不能使用Q235A级钢。构件尽量使用实腹式热轧H型钢，刚架一般采用实腹式变截面梁和柱。热轧H型钢与焊接H型钢相比，优点体现在外观质量、表面精度，制作成本[7]。
对门式刚架要进行合理的优化设计，优化目标是满足规范对结构刚度、强度、稳定性的约束下，实现用钢量最小。方法有最优法、穷举法等。
3.1.2 施工
在施工中，对焊接结构焊接工艺上应增加预热措施，同时严格检查，要求施工人员按规定和构造去做，做好成品的保护，加强施工中的质量监督。钢材的防腐蚀问题应引起足够的注意。钢材易腐蚀，设计时应尽量避免暴露在空气中，对承重结构必要时采取特殊防护措施，如涂漆、电镀等。
3.2 屋面活荷载的取值和布置
屋面结构包括屋面板和檩条，其竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取
。《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》规定不上人屋面的活荷载为，但构件的荷载面积大于的可乘折减系数0.6。所以可用，与钢结构设计规范保持一致。国外同类工程要考虑的附加荷载，而我国无此规定，遇到超载情况就会出安全问题。现有刚架梁做得过于经济，檩条单薄，今后应特别注意，当雪荷载大于时，一定按雪荷载大小取值。否则，大雪过后垮塌在所难免。
活荷载的最不利布置在《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中并没有明确的要求，《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》编者认为轻钢屋面是不上人屋面，不考虑活荷载的不利位置。但荷载规范编者确认为必须考虑活载的最不利布置。结合国外规范，国外轻钢屋面活荷载的取值普遍较国内大，因此，我们认为在施工及使用过程中如不能有效防止最不利活荷载出现，应考虑活荷载的最不利布置。
3.3 斜梁计算长度及钢梁高厚比问题
对于屋面坡度较小的情况，根据GB50018的规定，在钢架平面内计算其强度时，按照压弯构件计算。但是对斜梁轴力小的情况时，把钢架的计算长度近似为竖向支撑点间的距离。对于屋面坡度较大的情况，不论是在钢架的平面内还是在平面外，轴力的稳定性都不能被忽略；从原则上来讲，平面外计算长度一般是侧向支撑点间的距离。但是，钢梁的上下翼的边缘都会有约束，一般有以下约束：（1）屋面系杆的支撑系统对其的约束作用；（2）檩条和屋面板对上翼缘约束作用；（3）檩条和隅撑的共同作用对下翼边缘的约束。在计算时，我们一般把隅撑的设置作为钢梁平面外长度，并不是将檩条的间距作为钢梁平面外长度。然而，隅撑的位置设置又得根据钢梁平面外长度作为量度。然而有些设计师将钢梁的平面外长度定位3m，但是在制造的过程中却省去了隅撑位置，最终造成了整个设计具有安全隐患[8]。
门式钢架一般都是全钢结构的，由于檐口位置和钢柱的连接位置的弯矩较大，所以一般将钢梁做成变截面型钢梁。由于使用了这种变截面的钢梁，所以在设计的过程中可能会造成高厚比招标的问题，所以对设计结构的就算需要最终检查。根据2008年版CECS102：第6.1.1条规定，对于腹板高度的变化高于60mm/m时，将不考虑受剪板幅屈曲后强度对腹板高度比的控制，所以计算时不能将幅屈曲后强度考虑进去。具体的解决办法如下：（1）可以在构件的腹板设置一个横向加劲肋，这样做可以更加不考虑屈曲后强度，还可以提高其容许的高厚比；（2）为了满足高厚比，可以增加腹板的厚度，但是这样可能会较大的使用钢量；（3）通过调节构件端部的高度和调整梁的变截面长度来使腹板的高度变化不超过60mm/m。
3.4 结构布置及挠度问题
对于门式钢结构房屋，冷弯薄壁型钢檩条和压型钢板屋面板作为屋盖和外墙最合适，而变截面实腹钢架作为主钢架最合适。同时我们还可以根据载荷、跨度和高度的不同，而采用等截面或变截面的焊接工字型或轧制H型的截面来设计门式钢架的柱和梁。在设计吊车梁时，最好把等截面作为门式钢架的柱。对于门式钢架的柱脚，我们通常采用支撑设计来铰接，一般用一对或两对螺栓作为平板支座。这样设计柱脚铰接，不仅可以避免弯矩过大的问题，而且还可以减少基础混凝土的造价问题。钢接柱脚通常用于有吊车的厂房，这样设计有利于吊车的平稳运作。采用一些隔热卷材作保温层和隔热层，还可以用具有隔热效果的板材做屋面来解决对房屋或厂房的隔热要求。
刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接，在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用而减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁对柱的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变位，如图3.1所示。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构，故门式刚架能够适用于较大的跨度。
图3.1 刚性连接与铰接的弯矩比较
门式刚架的结构计算简图，按构件的布置和支座约束条件可分成三种：无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架。
（1）钢筋混凝土无铰刚架
无铰刚架和排架相比，当跨度和荷载相同，且跨度不大于18m时，刚架比排架结构轻巧，可节省钢材约10％，混凝土约20％。 无铰刚架和两铰刚架、三铰刚架相比，前者基础承受弯矩较大，因此基础大、耗料多，不够经济；此外，由于这种刚架属于超静定结构，和三铰刚架相比，对地基的不均匀沉降和温度变化引起的内力变化较大。所以地基条件较差时，必须考虑其影响。
（2）钢筋混凝土两铰刚架
两铰刚架也是超静定结构，对地基不均匀沉降引起的结构内力也必须考虑，但两铰刚架基础材料用量较少和三铰刚架相比，其结构刚度较大，所以适用跨度较大。
（3）钢筋混凝土三铰刚架
三铰刚架为静定结构。当基础有不均匀沉降时，对结构不引起附加内力。但是当跨度较大时，半榀三铰刚架的悬臂太长，吊装内力较大，而且三铰刚架的刚度也较差，所以它适用于跨度较小及地基较差的情况。 由于门式刚架的杆件较少，制作方便，而且结构内部空间较大，便于利用，所以它广泛用于工业厂房和体育馆、礼堂、食堂等建筑。钢筋混凝土门式刚架的跨度可达40m左右，最适宜是18m左右。由于门式刚架刚度较差，受荷后产生挠度，故用于工业厂房时，吊车起重量不宜超过10t。
挠度是在受力或非均匀温度变化时，杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。传统的桥梁挠度测量大都采用百分表或位移计直接测量，当前在我国桥梁维护、旧桥安全评估或新桥验收中仍广泛应用。该方法的优点是设备简单，可以进行多点检测，直接得到各测点的挠度数值，测量结果稳定可靠。但是直接测量方法存在很多不足，该方法需要在各个测点拉钢丝或者搭设架子，所以桥下有水时无法进行直接测量；对跨线桥，由于受铁路或公路行车限界的影响，该方法也无法使用；跨越峡谷等的高桥也无法采用直接方法进行测量；另外采用直接方法进行挠度测量，无论布设还是撤消仪表，都比较繁杂耗时较长。
4.1 门式刚架的结构形式和设计原则
门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋，刚架柱不是特别高且风荷载也不是很大时，依据“材料集中使用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱脚多按铰接设计，当用于工业厂房且有桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。
门式刚架的设计原则为：（1）保证结构的整体性，门式刚架属于平面结构，它们在纵向构件、支撑结构的联系下形成空间的稳定体系，结构只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外载效应；（2）明确各类外力作用点到基础的传递路径和传递全过程中产生的效应；（3）设计必须体现计算和构造[9]。
