第3章轻型门式刚架结构 【教学目标与要求】 ·桥念及基本原理 【掌握】轻型门式刚架形式：刚架结构体系与布置：荷载传递路径：变截面刚架：支 撑体系。 7用初 。计算理论及计算方法 【掌握】轻型门式网刚架荷载、内力及侧移计算；轻型门式刚架变截面构件设计；轻型门 式刚架节点设计：轻型门式刚架支撑体系设计， 【导入案例】 上海世博会非洲联合馆 非洲联合馆由1万多件钢结构搭起的非洲联合馆已挺立在世博园区内.树木、沙漠、海鸥、动物、 建筑这些富有强烈非洲特征的元素将呈现在非洲联合馆的外立面上，勾勒出非洲大陆独具多样性的 风貌，展现非洲的古老文明和勃勃生机， 非洲联合馆建筑面积达2万6千多平方米，占地规模相当于3个半标准足球场，4个外立面的面 积总和达9500平米，是上海世博会11个联合馆中规模最大的一个.展馆室内净高9米，馆内各国家 的占地面积均为250平方米。有43个非洲国家和1个国际组织（非盟）将在非洲联合馆内进行展示 非洲联合馆外立面还采用国际先进的喷绘贴膜技术，喷绘工程材料采用国际先进的UV墨水，具 有环保，对人体无公害，防紫外线，不易退色等优点 非洲馆内部的展示区域分为参展方展区和公共区域。非洲各参展方的展示是非洲州馆的展示主体。 公共区域作为名参展方展示的辅助和延伸，如加以充分利用，则可进一步扩大非洲大陆总体的影响 展示充满生机、丰富多彩、和谐共处的整体非洲形象
1 第 3 章 轻型门式刚架结构 【教学目标与要求】 ⚫ 概念及基本原理 【掌握】 轻型门式刚架形式；刚架结构体系与布置；荷载传递路径；变截面刚架；支 撑体系。 【理解】 ⚫ 计算理论及计算方法 【掌握】轻型门式刚架荷载、内力及侧移计算；轻型门式刚架变截面构件设计；轻型门 式刚架节点设计；轻型门式刚架支撑体系设计。 【导入案例】 上海世博会非洲联合馆 非洲联合馆由 1 万多件钢结构搭起的非洲联合馆已挺立在世博园区内。树木、沙漠、海鸥、动物、 建筑.这些富有强烈非洲特征的元素将呈现在非洲联合馆的外立面上，勾勒出非洲大陆独具多样性的 风貌，展现非洲的古老文明和勃勃生机。 非洲联合馆建筑面积达 2 万 6 千多平方米，占地规模相当于 3 个半标准足球场，4 个外立面的面 积总和达 9500 平米，是上海世博会 11 个联合馆中规模最大的一个。展馆室内净高 9 米，馆内各国家 的占地面积均为 250 平方米。有 43 个非洲国家和 1 个国际组织（非盟）将在非洲联合馆内进行展示。 非洲联合馆外立面还采用国际先进的喷绘贴膜技术，喷绘工程材料采用国际先进的 UV 墨水，具 有环保，对人体无公害，防紫外线，不易退色等优点。 非洲馆内部的展示区域分为参展方展区和公共区域。非洲各参展方的展示是非洲馆的展示主体。 公共区域作为各参展方展示的辅助和延伸，如加以充分利用，则可进一步扩大非洲大陆总体的影响， 展示充满生机、丰富多彩、和谐共处的整体非洲形象
图3.0上海 会到 馆 联台 此建筑物的主体结构就是一个轻型门式刚架结构. 3.1轻型门式刚架结构的形式与布置 3.1.1概述 轻钢门式刚架是对轻型厂房钢结构门式刚架的简称。近年来，它在我国飞速发展，给钢 结构注入了新的活力。不仅在轻工业厂房中得到非常广泛的应用，而且在一些城市公共建筑， 如超市、展览厅、停车场等也得到普遍应用，最为典型的例子就是上海世博会的临时展馆和 附属建筑基本上都采用轻型门式刚架的结构形式。 目前的工程实践中，轻型门式刚架结构的梁、柱多采用焊接实腹式日型钢截面，且 般多采用变截面形式。单跨门式刚架的梁、柱节点采用刚接，多跨门式刚架的梁柱节点大多 是刚接和较接并用。轻型门式刚架的柱脚可根据具体情况采用较接或刚接。轻型屋盖和轻型 外墙一般采用冷弯薄壁型钢(C型或乙型等)作为檩条或墙梁，以彩色压型金属板作为维护 材料，有保温或者语热题求的环培中一般采用聚装乙烯泡沫潮料、硬质聚氨酯泡法翔料、岩 棉、矿棉或玻璃丝棉等作为保温隔表 材料。正是这些新型材料的广泛使用造就了轻型门式网 架结构体系的广泛应用。他们完美的结合，构成了如图3.1所示的轻型门式刚架结构系统（美 国称金属建筑系统)
2 图 3.0 上海世博会非洲联合馆 此建筑物的主体结构就是一个轻型门式刚架结构。 3.1 轻型门式刚架结构的形式与布置 3.1.1 概述 轻钢门式刚架是对轻型厂房钢结构门式刚架的简称。近年来，它在我国飞速发展，给钢 结构注入了新的活力。不仅在轻工业厂房中得到非常广泛的应用，而且在一些城市公共建筑， 如超市、展览厅、停车场等也得到普遍应用，最为典型的例子就是上海世博会的临时展馆和 附属建筑基本上都采用轻型门式刚架的结构形式。 目前的工程实践中，轻型门式刚架结构的梁、柱多采用焊接实腹式 H 型钢截面，且一 般多采用变截面形式。单跨门式刚架的梁、柱节点采用刚接，多跨门式刚架的梁柱节点大多 是刚接和铰接并用。轻型门式刚架的柱脚可根据具体情况采用铰接或刚接。轻型屋盖和轻型 外墙一般采用冷弯薄壁型钢（C 型或 Z 型等）作为檩条或墙梁，以彩色压型金属板作为维护 材料，有保温或者隔热要求的环境中一般采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨脂泡沫塑料、岩 棉、矿棉或玻璃丝棉等作为保温隔热材料。正是这些新型材料的广泛使用造就了轻型门式刚 架结构体系的广泛应用。他们完美的结合，构成了如图 3.1 所示的轻型门式刚架结构系统（美 国称金属建筑系统）
保温 屋面复合板 墙面复合板 吊车轨道 图3.1轻型门式刚架结构 轻型门式刚架房屋结构体系由以下几部分组成：①门式刚架结构（刚架梁、柱）体系 ②屋面结构体系：③墙面结构体系：④屋面支撑及柱间支撩结构体系：⑤楼板结构：⑥托架 结构：⑦平台及楼梯结构：⑧吊车梁结构等。 一、轻型门式刚架分类 轻型门式刚架结构包含多种形式，可按跨数、高度、屋面的坡度及柱脚的支撑条件等多 方面进行分类。依据刚架的跨数可分为单跨、双跨、和多跨门式刚架结构，如图3.2所示。 双路或多路刚架在高度上有签高与不等高（图33）之分。根据层面坡度分为单城和双 门式刚架结构。刚架斜梁坡度的选择主要由建筑设计、工艺和当地的气候条件确定，一般 说，随坡度的增大刚架柱和基础所承受的水平推力将增大。 (a)单跨 (6)双跨 （。)多骑 图3.2刚架按跨数分类田 ()接刚架 (6)接刚架 图3.3不等高刚架示意 国3.4较接与刚接刚架示意 轻型门式刚架结构的柱与基础的连接可采用铰接和刚接两种连接形式，如图3.4所示。 两种连接形式的柱脚和基础的受力各有特点，相同条件下采用刚接连接时基础的费用将增 3
3 图 3.1 轻型门式刚架结构 轻型门式刚架房屋结构体系由以下几部分组成：①门式刚架结构（刚架梁、柱）体系； ②屋面结构体系；③墙面结构体系；④屋面支撑及柱间支撑结构体系；⑤楼板结构；⑥托架 结构；⑦平台及楼梯结构；⑧吊车梁结构等。 一、轻型门式刚架分类 轻型门式刚架结构包含多种形式，可按跨数、高度、屋面的坡度及柱脚的支撑条件等多 方面进行分类。依据刚架的跨数可分为单跨、双跨、和多跨门式刚架结构，如图 3.2 所示。 双跨或多跨刚架在高度上有等高与不等高（图 3.3）之分。根据屋面坡度可分为单坡和双坡 门式刚架结构。刚架斜梁坡度的选择主要由建筑设计、工艺和当地的气候条件确定，一般来 说，随坡度的增大刚架柱和基础所承受的水平推力将增大。 （a）单跨 （b）双跨 （c）多跨 图 3.2 刚架按跨数分类图 （a）铰接刚架 （b）刚接刚架 图 3.3 不等高刚架示意图 图 3.4 铰接与刚接刚架示意图 轻型门式刚架结构的柱与基础的连接可采用铰接和刚接两种连接形式，如图 3.4 所示。 两种连接形式的柱脚和基础的受力各有特点，相同条件下采用刚接连接时基础的费用将增
加，但在外荷载作用下柱项侧移将有所减小。一般情况下，轻型门式刚架结构采用柱脚较接 形式。 除上述分类外，还有设中柱的轻型门式刚架结构，如图3,5所示，中柱与刚架斜梁的连 接有较接和刚接两种，当采用较接时中柱称为摇摆柱 d (a)刚接中柱 (6)据摆柱中柱 图3.5中柱连接示意图 二、轻型门式刚架钢结构房屋的特点 轻型门式刚架钢结构房屋和其他材料的结构相比，具有如下特点： 1、自重轻 轻型门式刚架钢结构房屋采用轻型维护结构，质量很轻，这样承重体系的质量也很轻 用钢量很少，一般为10-30kgm2,在相同的跨度和荷载条件情况下自重为钢筋混凝土结构 的1/201/30，约为砖混结构的1/30。由于轻型门式刚架钢结构的自重轻，对地基的承载力 要求不高，因出地基的处理费用出较低，基础的制作费用也比较低。在相同地霉列度下门式 刚架结构的地震反应较小，当抗震设防烈度为7度及7度以下时，一般情况下地震作用参与 的内力组合对梁柱的设计不起控制作用，通常不需要做抗震验算。 2、工业化程度高，施工周期短，施工占地少 轻型门式刚架钢结构使用的主要构件和配件均为加工厂加工制作，质量易于保证：施工 现场工作量小，构件之间多用高强螺栓连接，现场安装方便快捷，施工周期短，施工占地少 混作业少，现场环境好，可以归类于绿色环保施工。 3、构件截面尺寸小，结构刚度大 由于轻型门式刚架结构的自重轻，梁柱构件的截面尺寸较小，占地面积小，因此使用面 积空间利用率高，尤其适用于低层大跨度结构。 4、柱网布置比较灵活，适应性强 轻型门式刚架结构不受传统维护材料的尺寸限制，采用金属压型板做屋面和墙面，尺寸 比较灵活，因此确定柱网尺寸时可不受模数限制，柱距尺寸主要根据使用要求和经济性最优 的原则来确定。 5、外形美观，现代感强，适用范围广泛 轻型门式刚架结构屋面及培面材料采用彩色金属压型板，整体轻巧、大方，可根据环境 要求和建筑要求采用多种造型和各种色彩，外形美观，能充分满足使用要求，可广泛用于超 市、仓库、展览馆、机场等。 6、可拆迁 轻型门式刚架的主体构件基本上是在构件厂加工，现场通过高强螺栓连接，可多次拆装， 重复使用，回收率可达70%以上，属绿色环保建筑，在2010年上海世博会中广泛应用于各 类展馆，世博会结束后大部分讲行了汗址重新组装建设
4 加，但在外荷载作用下柱顶侧移将有所减小。一般情况下，轻型门式刚架结构采用柱脚铰接 形式。 除上述分类外，还有设中柱的轻型门式刚架结构，如图 3.5 所示，中柱与刚架斜梁的连 接有铰接和刚接两种，当采用铰接时中柱称为摇摆柱。 （a）刚接中柱 （b）摇摆柱中柱 图 3.5 中柱连接示意图 二、轻型门式刚架钢结构房屋的特点 轻型门式刚架钢结构房屋和其他材料的结构相比，具有如下特点： 1、自重轻 轻型门式刚架钢结构房屋采用轻型维护结构，质量很轻，这样承重体系的质量也很轻， 用钢量很少，一般为 10~30kg/m2，在相同的跨度和荷载条件情况下自重为钢筋混凝土结构 的 1/20~1/30，约为砖混结构的 1/30。由于轻型门式刚架钢结构的自重轻，对地基的承载力 要求不高，因此地基的处理费用比较低，基础的制作费用也比较低。在相同地震烈度下门式 刚架结构的地震反应较小，当抗震设防烈度为 7 度及 7 度以下时，一般情况下地震作用参与 的内力组合对梁柱的设计不起控制作用，通常不需要做抗震验算。 2、工业化程度高，施工周期短，施工占地少 轻型门式刚架钢结构使用的主要构件和配件均为加工厂加工制作，质量易于保证；施工 现场工作量小，构件之间多用高强螺栓连接，现场安装方便快捷，施工周期短，施工占地少， 湿作业少，现场环境好，可以归类于绿色环保施工。 3、构件截面尺寸小，结构刚度大 由于轻型门式刚架结构的自重轻，梁柱构件的截面尺寸较小，占地面积小，因此使用面 积空间利用率高，尤其适用于低层大跨度结构。 4、柱网布置比较灵活，适应性强 轻型门式刚架结构不受传统维护材料的尺寸限制，采用金属压型板做屋面和墙面，尺寸 比较灵活，因此确定柱网尺寸时可不受模数限制，柱距尺寸主要根据使用要求和经济性最优 的原则来确定。 5、外形美观，现代感强，适用范围广泛 轻型门式刚架结构屋面及墙面材料采用彩色金属压型板，整体轻巧、大方，可根据环境 要求和建筑要求采用多种造型和各种色彩，外形美观，能充分满足使用要求，可广泛用于超 市、仓库、展览馆、机场等。 6、可拆迁 轻型门式刚架的主体构件基本上是在构件厂加工，现场通过高强螺栓连接，可多次拆装， 重复使用，回收率可达 70%以上，属绿色环保建筑，在 2010 年上海世博会中广泛应用于各 类展馆，世博会结束后大部分进行了迁址重新组装建设
轻型门式刚架钢结构房屋在结构形式上具有如下特点 1、主体承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架： 2、屋盖采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条，在某些情况下襟条也可以采用轧制 槽钢或工字钢。檩条与刚架斜梁上翼缘的连接处应设置德托〈图3.6)，当支承处Z形德条 叠置搭接时 可不设置托。襟托与檩托应采用螺栓连接，檩条每端应设两个螺栓。位于屋 盖坡面顶部的屋脊襟条，可用梧钢（图3.7）、角钢或与圆钢相连： 图3.6镇托 图3.7量脊间联系槽钢 3、外墙采用压型钢板墙面板和冷弯薄壁型钢墙梁，在外墙板接近地面处为了防止其锈 蚀，可从地面砌高度1m左右的砖墙，但该做法不一定经济，尤其是在软土地区： 4、屋盖和培体可采用轻型保温隔热层： 5、建筑物内无桥式吊车或有起面量不大干20：的AA5工作级别的桥式品车或是 式起重机： 6、屋面水平支撑系统的交叉拉杆和柱间支撑可采用圆钢，但应带张紧装置。 三、轻型门式刚架钢结构房屋的应用 轻型门式刚架钢结构房屋在我国的应用始于20世纪60年代，当时主要应用于一些简易 仓库、干煤棚等建筑物中，屋面采用石棉瓦、瓦楞铁等。20世纪80年代，我国在深圳经济 特区引进了国外门式刚架轻型房屋，但为数不多。20世纪90年代，部分国外企业进入了中 国并承建了轻型房屋工程，为我国建筑领域带来了新的产品，带动了我国轻钢企业的发展。 近十多年来，随者经验的积累和材料供应逐渐的丰富，特别是中国工程建设标准化协会编制 的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002的布实行，使得轻型门式刚架银 结构房屋的应用得到迅速发展，工业数量越来越多，工业规模越来越大，广泛应用于厂房、 仓库、 大型超市、体育馆和展览厅等建筑中。 3.1.2结构形式 一、结构形式 在门式刚架房屋结构体系中，屋盖宜采用压型钢板和冷弯薄壁型钢德条，主刚架可 采用变截面实腹刚架 ,外培宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢培梁。主刚架斜梁下翼 和刚架柱内翼缘平面外的稳定性，由于檩条或墙梁相连接的隅撑来保证。主刚架间的交叉支 撑可采用张紧的圆钢。 2.门式刚架有单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。多跨刚架 中间柱与斜梁的连接可采用铰接。多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖，必要时也可以采用由多 个双坡屋盖组成的多跨刚架形式。 3.根据跨度、高度和荷载的不同，门式刚架粱、柱可采用变截面或等截面的实腹焊接 工字形截面或轧制H形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改 变腹板高度做成楔形：必要时也可改变腹板厚度。结构构件在安装单元内不改变翼缘截面， 5
5 轻型门式刚架钢结构房屋在结构形式上具有如下特点： 1、主体承重结构为单跨或多跨实腹式门式刚架； 2、屋盖采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条，在某些情况下檩条也可以采用轧制 槽钢或工字钢。檩条与刚架斜梁上翼缘的连接处应设置檩托（图 3.6），当支承处 Z 形檩条 叠置搭接时，可不设置檩托。檩托与檩托应采用螺栓连接，檩条每端应设两个螺栓。位于屋 盖坡面顶部的屋脊檩条，可用槽钢（图 3.7）、角钢或与圆钢相连； 图 3.6 檩托 图 3.7 屋脊间联系槽钢 3、外墙采用压型钢板墙面板和冷弯薄壁型钢墙梁，在外墙板接近地面处为了防止其锈 蚀，可从地面砌高度 1m 左右的砖墙，但该做法不一定经济，尤其是在软土地区； 4、屋盖和墙体可采用轻型保温隔热层； 5、建筑物内无桥式吊车或有起重量不大于 20t 的 A1~A5 工作级别的桥式吊车或 3t 悬挂 式起重机； 6、屋面水平支撑系统的交叉拉杆和柱间支撑可采用圆钢，但应带张紧装置。 三、轻型门式刚架钢结构房屋的应用 轻型门式刚架钢结构房屋在我国的应用始于 20 世纪 60 年代，当时主要应用于一些简易 仓库、干煤棚等建筑物中，屋面采用石棉瓦、瓦楞铁等。20 世纪 80 年代，我国在深圳经济 特区引进了国外门式刚架轻型房屋，但为数不多。20 世纪 90 年代，部分国外企业进入了中 国并承建了轻型房屋工程，为我国建筑领域带来了新的产品，带动了我国轻钢企业的发展。 近十多年来，随着经验的积累和材料供应逐渐的丰富，特别是中国工程建设标准化协会编制 的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002 的颁布实行，使得轻型门式刚架钢 结构房屋的应用得到迅速发展，工业数量越来越多，工业规模越来越大，广泛应用于厂房、 仓库、大型超市、体育馆和展览厅等建筑中。 3.1.2 结构形式 一、结构形式 1. 在门式刚架房屋结构体系中，屋盖宜采用压型钢板和冷弯薄壁型钢檩条，主刚架可 采用变截面实腹刚架，外墙宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢墙梁。主刚架斜梁下翼缘 和刚架柱内翼缘平面外的稳定性，由于檩条或墙梁相连接的隅撑来保证。主刚架间的交叉支 撑可采用张紧的圆钢。 2. 门式刚架有单跨、双跨、多跨刚架以及带挑檐的和带毗屋的刚架等形式。多跨刚架 中间柱与斜梁的连接可采用铰接。多跨刚架宜采用双坡或单坡屋盖，必要时也可以采用由多 个双坡屋盖组成的多跨刚架形式。 3. 根据跨度、高度和荷载的不同，门式刚架梁、柱可采用变截面或等截面的实腹焊接 工字形截面或轧制 H 形截面。设有桥式吊车时，柱宜采用等截面构件。变截面构件通常改 变腹板高度做成楔形；必要时也可改变腹板厚度。结构构件在安装单元内不改变翼缘截面