轻型门式刚架结构布置及PKPM计算中注意问题

摘要：轻型门式刚架作为一种传统的结构体系，经历近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系，应用广泛。在结构设计中考虑受力蒙皮作用可节省材料，但需满足一定条件才能考虑其作用。我国常用计算工具PKPM，应用PKPM计算过程中需注意各构件作用，基础计算时纵横向柱底内力，尤其柱间支撑位置。

关键词：门式刚接、受力蒙皮作用、PKPM计算 一、门式刚架概念及其发展

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、山墙骨架等，门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应用于包括单层工业厂房、民建超级市场和展览馆、库房以及各种不同类型仓储式工业及民用建筑等，有广泛的市场应用前景。门式刚架轻型房屋钢结构起源于美国，经历了近百年的发展，目前已成为设计、制作与施工标准相对完善的一种结构体系。

门式刚架轻型房屋钢结构属轻型钢结构的一个分枝，这种结构型式的主要特点是：体现轻钢结构轻型、快速、高效的特点，应用节能环保型新型建材，实现工厂化加工制作、现场施工组装、方便快捷、节约建设周期；结构坚固耐用、建筑外型新颖美观、质优价宜、经济效益明显；门式刚架与其他传统结构型式（如砖混、钢筋混凝土框排架）经济比较，造价节省200元/m2。

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。 二、结构方案选择支撑体系布置及受力蒙皮作用

我国现行规范规程中关于轻型门式刚架的主要有《门式刚架轻型屋面钢结构技术规程》（CECS 102-2002 ）、《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）。规范中对于结构选型，柱间支撑，系杆、屋面支撑体系布置等提出设计要求。可分为单跨和多跨结构，多跨宜优先选用多坡屋面，以降低中间柱高度，无吊车时多跨中间柱可设为摇摆柱，有吊车荷载时中间柱与钢梁宜做刚接，以控制在吊车荷载作用下的柱顶位移，钢柱根据实际情况可选择变截面或等截面柱，柱脚与基础铰接或刚接，设计时应依实际情况，按最合理的刚架承重结构方案选用。

门式刚架承重结构体系的刚架、檩条（或墙梁）以及压型钢板间通过可靠的连接和支撑相互依托，体系受力更趋向于空间化。支撑系统的主要作用是：1）纵向刚性系杆传递纵向水平力。2）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。3）隅撑的作用则为约束I型截面远端翼缘板，起到远端翼缘板平面内支座作用，避免形成局部屈曲；或出平面支点作用，减小翼缘板的出平面计算长度，从而控制出平面稳定性。4）全部支撑系统与檩条或墙梁以及刚架一道组成空间体系，参与空间协同工作。

所谓蒙皮效应也可称为受力蒙皮作用，受力蒙皮作用是与支承构件可靠连接的压型钢板体系所具有的抵抗板自身平面内剪切变形的能力。如将压型钢板与构件进行可靠连接，则此蒙皮效应可使围护结构同时成为结构的重要组成部分，参与整个结构体系工作，为与之相连的受压、受弯压构件提供连续侧向支撑，从而提高这种构件的刚度及稳定承载力。

受力蒙皮作用的大小与压型钢板的类型、屋面和墙面是否开洞、支承檩条或墙梁的布置形式以及连接件的种类和布置形式等因素有关，为了对结构进行整体分析，应由试验方法对上述各部件组成的蒙皮组合体（包括开洞的因素在内）开展试验研究，确定相应的强度和刚度等参数。

当采用不能滑动的连接件连接压型钢板及其支承构件形成屋面和墙面等围护体系时，可在单层房屋的设计中考虑受力蒙皮作用，但应同时满足下列要求： 1 、应由试验或可靠的分析方法获得蒙皮组合体的强度和刚度参数，对结构进行整体分析和设计；

2、 屋脊、檐口和山墙等关键部位的模条、墙梁、立柱及其连接等，除了考虑直接作用的荷载产生的内力外，还必须考虑由整体分析算得的附加内力进行承载力验算；

3、 必须在建成的建筑物的显眼位置设立永久性标牌，标明在使用和维护过程中，不得随意拆卸压型钢板，只有设置了临时支撑后方可拆换压型钢板，并在设计文件中加以规定。

蒙皮作用的影响因素太多，并非在任何情况多能发挥作用。特别是柱间支撑，受力较大，绝不能省略。蒙皮作用只有在满足上述条件下才能考虑，故一般情况下蒙皮作用最多只能视为一种刚度储备。

在结构计算前，首先按规范及实际受力情况，选择合理的柱截面型式，柱脚连接型式、支撑布置体系，然后建模计算。 三、结构计算中注意问题

应用PKPM程序计算时，无论应用门式刚架三维设计还是门式刚架二维设计模块，计算基础时仅考虑了二维空间的柱脚内力，如果无吊车及柱间支撑跨，仅考虑横向刚架柱脚内力计算的基础结果，与实际基础应设计尺寸相差不多，但是有吊车及柱间支撑时，柱间支撑位置的柱纵向柱脚内力不可忽略，基础计算时应考虑两个方向柱脚内力。如下某单层厂房，24m双跨双坡，柱距6m，内设10t电动单梁吊车，下柱支撑设在5~6轴间，柱脚内力值比较（包络值）： A轴与5轴交点位置处柱脚内力（有柱间支撑）

A轴与7轴交点位置处柱脚内力（无柱间支撑）

由以上数值比较，下柱支撑跨纵向柱脚内力不能忽略，而无支撑跨纵向柱脚内力相比横向内力小很多，可忽略。

计算中注意查看各支撑、系杆的计算长度取值是否按规范取值，刚性系杆应按压杆控制长细比，以满足有足够刚度要求，形成空间支撑体系。刚性系杆构件主要选用型钢和钢管，与刚架通过螺栓铰接，截面大小一般按压杆稳定性要求或通过受力计算来决定。设置主要考虑在刚架转角和屋脊联结处（其中屋脊处的刚性系杆，可由用于此处屋脊构造需要的，刚度较大的双檩条及联结所代替）。考虑空间协同作用的需要，也要设置水平支撑。水平支撑的构件截面大小主要决定于纵向水平力作用，须经受力计算来确定。隅撑构造是连接于I型截面的远端翼缘和檩条或墙梁之间，起I型截面远端翼缘板的板件约束和平面外支点作用。隅撑设置主要在I型截面远端翼缘板的受压区，间距应符合避免翼缘板板件屈曲的条件和刚架平面外稳定性计算要求，目前主要按构造要求设置。

檩条和墙梁目前主要的构件型式是采用C型或Z型薄壁型钢，截面大小均要经受力计算后确定。C型截面与Z型截面相比，强弱轴的力学性能差异较大，且

与刚架的连接多为螺栓铰接，计算时须按简支考虑，檩条计算时应去净截面计算，螺栓孔削弱截面面积5%~15%，对薄壁型钢影响较大，结构构件受拉强度应按净截面计算，受压强度应按净截面计算，稳定性按有效截面计算。

下柱支撑的下节点位置和构造措施，应保证将地震作用直接传给基础，当不能直接传给基础时，应计及支撑对柱和基础的不利影响，采取加强措施。当下柱支撑无法与基础直接连接时注意计算支撑水平力对钢柱及基础短柱的影响是否满足要求。 四、小结

结构设计中应按相应规程、规范选择结构型式、柱脚连接方式、支撑体系，PKPM计算中注意程序仅考虑二维平面计算，查看计算结果时应考虑纵横两平面方向的影响，考虑受力蒙皮作用能够节省材料，但必须由试验或可靠的分析方法获得蒙皮组合体的强度和刚度参数，对结构进行整体分析和设计及其考虑受力蒙皮作用的设计前提条件，一般情况受力蒙皮作用可作为刚度的一种储备。