第四章门式刚架 第一节结构体系 门式刚架是二战期间迅速发展起来的,由相互依存的构件组成统一体,即由梁、柱、 檩条、墙梁支撑和金属波形板材设计成协冋工作的金属预制装配的建筑体系。战后被广泛 采用,我国六十年代中期开始推广,并在援外工程中使用,取得良好的国际赞同。由于十 年动乱终止了这种建筑体系的发展,改革开放以来,特别是民营企业的蓬勃发展,门式刚 架结构体系据不完全统计已建了800万m2,而且每年以100万m2的速度递增。 这种结构体系设计经济,安装快捷,造价低廉,装卸方便,维护费用低,单一供货 为业主认可 我们萧山成为钢结构之乡,竞争十分激烈,萧山的钢结构应由价位的竞争逐步转向价 值的竞争,就是创造精品钢结构,扩展使用范围,建造独具建筑风格的金属建筑体系,使 钢结构应与时俱进,演变及发展是同时进行的 结构概念设计 1.三维设计(方案阶段) 详见附图三十四) 假定是整体性,并具有总体性能。将结构形式作为总体分析。 1)建筑功能是否满足使用要求 2)高度、跨度是否合理,是否经济 3)在垂直和水平荷载作用下,是否安全可靠 4)房屋的安全等级,抗震等级。 2.二维设计—(详见附图三十五) 确定基本的水平和竖向分体系。 建立关键构件的相互关系 3.一维设计(平面、立体一施工图阶段)—(详见附图三十六) 1)选择一个合理的结构体系,使传力途径明确合理 2)选择合理的计算方法,同时采取相应的构造措施,保证计算模型(建模)与实际情况符合。 3)增加结构刚度,减少用钢量,且有很好的经济技术指标。 4)工厂化生产,全预制装配。 第二节门式刚架的分类 实腹式门式刚架——(详见附图三十七 采用H型钢组成的梁柱构件的截面形状,按结构受力的弯矩包络图来确定,使实腹式
- 44 - 第四章 门式刚架 第一节 结构体系 门式刚架是二战期间迅速发展起来的，由相互依存的构件组成统一体，即由梁、柱、 檩条、墙梁支撑和金属波形板材设计成协同工作的金属预制装配的建筑体系。战后被广泛 采用，我国六十年代中期开始推广，并在援外工程中使用，取得良好的国际赞同。由于十 年动乱终止了这种建筑体系的发展，改革开放以来，特别是民营企业的蓬勃发展，门式刚 架结构体系据不完全统计已建了 800 万 m 2，而且每年以 100 万 m 2的速度递增。 这种结构体系设计经济，安装快捷，造价低廉，装卸方便，维护费用低，单一供货， 为业主认可。 我们萧山成为钢结构之乡，竞争十分激烈，萧山的钢结构应由价位的竞争逐步转向价 值的竞争，就是创造精品钢结构，扩展使用范围，建造独具建筑风格的金属建筑体系，使 钢结构应与时俱进，演变及发展是同时进行的。 一、结构概念设计 1.三维设计(方案阶段)——（详见附图三十四） 假定是整体性，并具有总体性能。将结构形式作为总体分析。 1)建筑功能是否满足使用要求； 2)高度、跨度是否合理，是否经济； 3)在垂直和水平荷载作用下，是否安全可靠； 4)房屋的安全等级，抗震等级。 2.二维设计——（详见附图三十五） 确定基本的水平和竖向分体系。 建立关键构件的相互关系。 3.一维设计(平面、立体—施工图阶段)——（详见附图三十六） 1)选择一个合理的结构体系，使传力途径明确合理。 2)选择合理的计算方法，同时采取相应的构造措施，保证计算模型(建模)与实际情况符合。 3)增加结构刚度，减少用钢量，且有很好的经济技术指标。 4)工厂化生产，全预制装配。 第二节 门式刚架的分类 一、实腹式门式刚架——（详见附图三十七） 采用 H 型钢组成的梁柱构件的截面形状，按结构受力的弯矩包络图来确定，使实腹式
门式刚架达到经济,轻巧,美观的效果。 工厂化生产水平较高,可以达到工地全装配化,缩短工期 在同等条件与普通钢结构可节约钢材10%~20% 二、格构式门式钢架——(详见附图三十八) 采用型钢或钢管组成的门式刚架,同样可达到更为经济,轻巧,美观的效果 1964年以后我国在援外工程中大量使用。但是人工焊接工程量较大,严格控制焊接变 形。焊接变形校正较复杂 三、木结构门式钢架 美国设计的海军俱乐部采用板梢结构的门式刚架,在建筑造型和使用功能上都具有中 世纪爱尔兰的航海建筑风格与门式刚架完美结构的创作。 四、结构安全等级及设计基准期 新修订的规范为统一各类材料的建筑结构可靠度的基本原则和方法,使设计符合技术 先进,经济合理,安全适用,为确保工程质量且与国际通用贯例,结合国情制定了建筑结 构的可靠度标准。 设计使用年限分类 结构安全等级 结构重要性系数 设计作用年限 备注 100 冷弯薄壁型钢结构技术 0.95 规范补充了这一条 0.9 这里要特别提到的是在正常使用,正常维护的条件下,一般门式刚架结构安全等级为 二级,设计使用年限为50年。 第三节实腹式门式刚架 门式刚架的特点 变截面刚架的梁柱形式一方面是改变腹板的高度以适应结构弯矩内力分布规律,另一 方面允许腹板局部失稳,并利用腹板屈曲后的强度,而且只要满足翼缘腹板的宽厚比情况 下,允许相邻各段构件可以采用变翼缘宽度或厚度,变腹板厚度的较佳变截面杆件。抗风 柱可按摆柱设计这一系列的优化设计方法,以达到节约钢材,降低造价的目的。在制造方 面达到标准化,工厂化生产,加工制造速度较快,在安装上可以全部采用预制装配化,且 重量轻,毋需要大吨位的起重机,又没有高难度复杂的技术,一般安装工,只要短期训就 能熟练上岗
- 45 - 门式刚架达到经济，轻巧，美观的效果。 工厂化生产水平较高，可以达到工地全装配化，缩短工期。 在同等条件与普通钢结构可节约钢材 10%～20%。 二、格构式门式钢架——（详见附图三十八） 采用型钢或钢管组成的门式刚架，同样可达到更为经济，轻巧，美观的效果。 1964 年以后我国在援外工程中大量使用。但是人工焊接工程量较大，严格控制焊接变 形。焊接变形校正较复杂。 三、木结构门式钢架 美国设计的海军俱乐部采用板梢结构的门式刚架，在建筑造型和使用功能上都具有中 世纪爱尔兰的航海建筑风格与门式刚架完美结构的创作。 四、结构安全等级及设计基准期 新修订的规范为统一各类材料的建筑结构可靠度的基本原则和方法，使设计符合技术 先进，经济合理，安全适用，为确保工程质量且与国际通用贯例，结合国情制定了建筑结 构的可靠度标准。 设计使用年限分类 结构安全等级 结构重要性系数 设计作用年限 备注 一级 1.1 100 二级 1.0 50 0.95 25 冷弯薄壁型钢结构技术 规范补充了这一条 三级 0.9 5 这里要特别提到的是在正常使用，正常维护的条件下，一般门式刚架结构安全等级为 二级，设计使用年限为 50 年。 第三节 实腹式门式刚架 一、门式刚架的特点 变截面刚架的梁柱形式一方面是改变腹板的高度以适应结构弯矩内力分布规律，另一 方面允许腹板局部失稳，并利用腹板屈曲后的强度，而且只要满足翼缘腹板的宽厚比情况 下，允许相邻各段构件可以采用变翼缘宽度或厚度，变腹板厚度的较佳变截面杆件。抗风 柱可按摆柱设计这一系列的优化设计方法，以达到节约钢材，降低造价的目的。在制造方 面达到标准化，工厂化生产，加工制造速度较快，在安装上可以全部采用预制装配化，且 重量轻，毋需要大吨位的起重机，又没有高难度复杂的技术，一般安装工，只要短期训就 能熟练上岗
这是一种轻型,经济,高效,美观的建筑结构,适用范围又很广泛,如工业厂房,中 小型体育场、馆,医院,超市,商场,民居,宿舍,仓库,储运设施等 实腹式门式刚架的经济性及评价 1.轻钢结构方案经济性评价的必要性 传统建筑主要以水泥、钢筋、砖、瓦、灰、砂、石为主要原料,其自重大、基础处理 要求高,施工周期受混凝土自然凝固及施工季节限制而较长。相对而言,以轻钢结构自重 小,基础处理要求低,制作阶段为大规模工厂化预制加工,现场安装周期短,不受自然气 候约束,从而大大缩短了工期。在适用性上,以轻钢结构已涵盖了工业厂房、超级市场 展览馆、体育馆、飞机库、仓库、别墅、建筑物架层,具有布局灵活、造型美观等特点。 相比传统建筑,轻钢结构更应在经济上突现优势才显示其作为新型建筑理念替代传统 方案的活力。选择合理建筑方案,可首先保证生产工艺要求,其次从经济上做到合理用料, 显示出轻钢结构的优势。现对有代表性几种轻钢结构在不同方案的主材用量和经济性,以 供从事轻钢结构的有关技术人员参考。 2不同方案下单方造价比较 为了便于比较,同时不失一般性,以下诸方案均按北京地区30年一遇的风荷载 (0.35kn/m2)、雪压(0.30kn/m2),吊挂、吊车荷载暂不考虑,建筑物长90m,坎墙壁1.20m, 柱距7.50m,门窗暂不考虑,屋面不计采光,有组织排水,屋面、墙面围护均按50m厚轻 质玻璃棉保温复合板,为便于不同跨度方案比较,钢材型号均选用Q235(因为实际设计中 按照业主的要求,坎墙标高不一、门窗挡次有优劣、屋面采光要求更是各异,故需统一前 提条件) (1)单跨无中柱方案(方案I 这种方案,变截面柱及屋面梁,最大限度地发挥了材料的力学性能。柱基础铰接,无 支座弯矩,大大降低了基础的费用。屋面梁坡度小,为1/10~1/24。节省非使用空间的采 暖和保温费用。 常温屋面跨度15~36m,最大跨度可达60m,基本上满足各种使用类型建筑物的需要, 是最经济的设计。 按跨度15m举例: 主钢量(含钢架及支撑系统)约18.50m2(90m×15m=1350m2)中,折合10.65kg/m2。围 护部分共计2745.22m2。其余附属部件在此不作比较。按目前市场价格,主钢结构5250 元/t、轻钢檩条4200元/t、围护部分综合价格170元/m2考虑,该方案单位造价约487.55 不同跨度数值的比较见下表 从方案I表和(详见附图三十九)图形分析中可以看出,在主钢结构用量上,单跨双 坡净空的门式刚架方案,跨度24m的方案比较节省,而从单方造价上看,36m是为经济之 选,但跨度30m以上的刚架规范中对挠度要求较高,这一经济最优方案的提出受到檩条含 量、围护部分的因素干挠,最优方案应该是比之跨度较小者
- 46 - 这是一种轻型，经济，高效，美观的建筑结构，适用范围又很广泛，如工业厂房，中 小型体育场、馆，医院，超市，商场，民居，宿舍，仓库，储运设施等。 二、实腹式门式刚架的经济性及评价 1.轻钢结构方案经济性评价的必要性 传统建筑主要以水泥、钢筋、砖、瓦、灰、砂、石为主要原料，其自重大、基础处理 要求高，施工周期受混凝土自然凝固及施工季节限制而较长。相对而言，以轻钢结构自重 小，基础处理要求低，制作阶段为大规模工厂化预制加工，现场安装周期短，不受自然气 候约束，从而大大缩短了工期。在适用性上，以轻钢结构已涵盖了工业厂房、超级市场、 展览馆、体育馆、飞机库、仓库、别墅、建筑物架层，具有布局灵活、造型美观等特点。 相比传统建筑，轻钢结构更应在经济上突现优势才显示其作为新型建筑理念替代传统 方案的活力。选择合理建筑方案，可首先保证生产工艺要求，其次从经济上做到合理用料， 显示出轻钢结构的优势。现对有代表性几种轻钢结构在不同方案的主材用量和经济性，以 供从事轻钢结构的有关技术人员参考。 2.不同方案下单方造价比较 为了便于比较，同时不失一般性，以下诸方案均按北京地区 30 年一遇的风荷载 （0.35kn/m2）、雪压（0.30kn/m2），吊挂、吊车荷载暂不考虑，建筑物长 90m ,坎墙壁 1.20m， 柱距 7.50m,门窗暂不考虑，屋面不计采光，有组织排水，屋面、墙面围护均按 50mm 厚轻 质玻璃棉保温复合板，为便于不同跨度方案比较，钢材型号均选用 Q235（因为实际设计中 按照业主的要求，坎墙标高不一、门窗挡次有优劣、屋面采光要求更是各异，故需统一前 提条件）。 (1)单跨无中柱方案（方案Ⅰ） 这种方案，变截面柱及屋面梁，最大限度地发挥了材料的力学性能。柱基础铰接，无 支座弯矩，大大降低了基础的费用。屋面梁坡度小，为 1/10～1/24。节省非使用空间的采 暖和保温费用。 常温屋面跨度 15～36m，最大跨度可达 60m，基本上满足各种使用类型建筑物的需要， 是最经济的设计。 按跨度 15m 举例： 主钢量(含钢架及支撑系统)约 18.50m 2 (90m×15m=1350 m2 )中，折合 10.65kg/ m2。围 护部分共计 2745.22 m2。其余附属部件在此不作比较。按目前市场价格，主钢结构 5250 元/t、轻钢檩条 4200 元/t、围护部分综合价格 170 元/ m 2 考虑，该方案单位造价约 487.55 元/ m 2。 不同跨度数值的比较见下表。 从方案Ⅰ表和（详见附图三十九）图形分析中可以看出，在主钢结构用量上，单跨双 坡净空的门式刚架方案，跨度 24m 的方案比较节省，而从单方造价上看，36m 是为经济之 选，但跨度 30m 以上的刚架规范中对挠度要求较高，这一经济最优方案的提出受到檩条含 量、围护部分的因素干挠，最优方案应该是比之跨度较小者
方案I经济性比较 主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/ 18.50 10.65 2745.22 487.55 456.28 434.85 17.50 3638.91 417.85 456789 20.50 21.50 7.91 417.60 23.00 4941.93 411.38 27.00 6.90 6207.09 414.99 10 31.00 6.71 842.37 430.27 36.50 7479.4 454.64 (2)双跨双坡有中柱方案(方案Ⅱ) 该方案增加了内柱的设计,比净空结构设计计时挠度、用钢量的限制小,故可达更大 的屋面跨度。一般来说是更为经济的结构形式 方案Ⅱ经济比较 序号 主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/元 14.55 7,91 4312.05 16.50 7,46 4941.93 234567 12 17.85 7.14 5573.61 374.3 18.80 6.90 371.94 6.71 364.65 19.85 6. 7479,45 367.23 6.45 8118.33 382.8 仍按主钢量、次钢檩条、围护系统总和(室内隔墙不计)三因素分析不同跨度对单位 造价的影响 方案Ⅱ表和(详见附图)中相同跨度的方案对比,可看出在加上一内柱后,主钢用量 明显减少,在单位经济造价上亦有不少回旋的余地。这一方案适用于跨度较大且加上内柱 后不影响工艺要求的情况 方案Ⅱ的各跨度主材用量与单方造价统计。 (3)多中柱方案(方案Ⅲ) 由于采用多内柱设计,使其可达到更大的屋面跨度,该结构方案适用于50~60m以上 的情况,相对于大跨度来说一般是更经济的结构形式 以下仅对跨度60、84、120m三种情形作一对比: 方案Ⅲ经济性比较
- 47 - 方案Ⅰ经济性比较 序号 跨度/ m 主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/元 1 15 18.50 10.65 2745.22 487.55 2 18 18.00 9.74 3057.68 456.28 3 21 17.80 9.10 3370.60 434.85 4 24 17.50 8.58 3638.97 417.85 5 27 20.50 8.20 3997.78 421.75 6 30 21.50 7.91 4312.05 417.60 7 36 23.00 7.46 4941.93 411.38 8 42 25.80 7.14 5573.61 416.10 9 48 27.00 6.90 6207.09 414.99 10 54 31.00 6.71 6842.37 430.27 11 60 36.50 6.56 7479.45 454.64 (2)双跨双坡有中柱方案（方案Ⅱ） 该方案增加了内柱的设计，比净空结构设计计时挠度、用钢量的限制小，故可达更大 的屋面跨度。一般来说是更为经济的结构形式。 方案Ⅱ经济比较 序号 跨度/m 主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/元 1 30 14.55 7.91 4312.05 387.11 2 36 16.50 7.46 4941.93 377.26 3 42 17.85 7.14 5573.61 374.37 4 48 18.80 6.90 6207.09 371.94 5 54 18.50 6.71 6842.37 364.65 6 60 19.85 6.56 7479.45 367.23 7 66 23.50 6.45 8118.33 382.81 仍按主钢量、次钢檩条、围护系统总和（室内隔墙不计）三因素分析不同跨度对单位 造价的影响。 方案Ⅱ表和（详见附图）中相同跨度的方案对比，可看出在加上一内柱后，主钢用量 明显减少，在单位经济造价上亦有不少回旋的余地。这一方案适用于跨度较大且加上内柱 后不影响工艺要求的情况。 方案Ⅱ的各跨度主材用量与单方造价统计。 (3)多中柱方案（方案Ⅲ） 由于采用多内柱设计，使其可达到更大的屋面跨度，该结构方案适用于 50～60m 以上 的情况，相对于大跨度来说一般是更经济的结构形式。 以下仅对跨度 60、84、120m 三种情形作一对比： 方案Ⅲ经济性比较
主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/元 60 17.50 6.56 7949,45 354.89 123 21.00 10045.78 362.06 10200 5.89 13949.26 365.06 从方案Ⅲ表看出,虽跨度较大且各方案相差悬殊,但其主钢量与单方造价相比相差并 不大。说明采用多中柱方案有效地抵消了挠度对大跨度钢结构的限制,使得总跨度可以做 到60m以上 第四节实腹式门式刚架的设计 、计算程序 实腹式门式刚架的计算程序很多,目前在浙江省和上海地区的各设计院大部分采用同 济大学的3D3S或PKPM中的STS程序进行设计。 随着钢结构设计规范、轻型房屋钢结构技术规程、冷薄壁型钢结构技术规范和建筑钢 结构焊接技术规程的新规范的问世,上述这些程序版本都要相应升级,才能满足新规范的 设计要示。 、温度伸缩缝最大间距的规定 当门式刚架跨度l≤36m,边柱高h≤90m时,纵向温度伸缩缝间距不应大于300m 横向温度伸缩缝间距不应大于150m 三、柱顶位移值控制 风荷载作用下 原规范地震作用下 罕遇地震作用下 门式刚架柱顶水平位移 不设吊车:当用轻型墙板时 H/75 H/50 当用砌体墙时 H/100 有桥式吊车:当吊车有驾驶室时 H/400H/240 当吊车由地面操纵时 H/200H/150 注:1.H为自基础顶面至柱的柱顶的总高度 2.对室内装修要求较高的民用建筑多层框架结构,层间相对位移宜适当减小:无墙壁的多层框架结 构,层间相对位移可适当放宽 四、挠度的控制 构件类别 挠度控制值 承压型钢板屋面及冷弯薄壁型钢檩条 当有吊顶时 L/240 有吊顶且抹灰 L/360 冷弯薄壁型钢檩条
- 48 - 序号 跨度/m 主钢含量 檩条含量 围护部分 单位造价/元 1 60 17.50 6.56 7949.45 354.89 2 84 21.00 6.17 10045.78 362.06 3 120 23.00 5.89 13949.26 365.06 从方案Ⅲ表看出，虽跨度较大且各方案相差悬殊，但其主钢量与单方造价相比相差并 不大。说明采用多中柱方案有效地抵消了挠度对大跨度钢结构的限制，使得总跨度可以做 到 60m 以上。 第四节 实腹式门式刚架的设计 一、计算程序 实腹式门式刚架的计算程序很多，目前在浙江省和上海地区的各设计院大部分采用同 济大学的 3D3S 或 PKPM 中的 STS 程序进行设计。 随着钢结构设计规范、轻型房屋钢结构技术规程、冷薄壁型钢结构技术规范和建筑钢 结构焊接技术规程的新规范的问世，上述这些程序版本都要相应升级，才能满足新规范的 设计要示。 二、温度伸缩缝最大间距的规定 当门式刚架跨度 l 36m ，边柱高 h 9.0m 时，纵向温度伸缩缝间距不应大于 300m。 横向温度伸缩缝间距不应大于 150m。 三、柱顶位移值控制 结 构 类 型 风荷载作用下 地震作用下 罕遇地震作用下 新规范 原规范 门式刚架柱顶水平位移： 不设吊车： 当用轻型墙板时 当用砌体墙时 有桥式吊车：当吊车有驾驶室时 当吊车由地面操纵时 H/75 H/100 H/400 H/200 H/50 H/240 H/150 —— —— —— —— —— —— —— —— 注：1.H 为自基础顶面至柱的柱顶的总高度； 2.对室内装修要求较高的民用建筑多层框架结构，层间相对位移宜适当减小；无墙壁的多层框架结 构，层间相对位移可适当放宽。 四、挠度的控制 构 件 类 别 挠度控制值 支承压型钢板屋面及冷弯薄壁型钢檩条 L/180 当有吊顶时 L/240 有吊顶且抹灰 L/360 冷弯薄壁型钢檩条 L/200