輕型門式剛架房屋結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用大約始于20世紀(jì)80年代初期。近十多年來得到迅速的發(fā)展，目前國內(nèi)每年有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，主要用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。
單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構(gòu)成的實(shí)腹式門式剛架或格構(gòu)式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當(dāng)設(shè)置支撐的一種輕型房屋結(jié)構(gòu)體系。
在目前的工程實(shí)踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構(gòu)件，單跨剛架的梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎(chǔ)剛接或鉸接；圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。
1 單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計中的注意事項(xiàng)
1.1 單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：
(1)質(zhì)量輕
圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質(zhì)量都很輕。根據(jù)國內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10~30kg/m2 ，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20~1/30。由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，相應(yīng)地基礎(chǔ)可以做得較小，地基處理費(fèi)用也較低。同時在相同地震烈度下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)小。但當(dāng)風(fēng)荷載較大或房屋較高時，風(fēng)荷載可能成為單層輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的控制荷載。
(2)工業(yè)化程度高，施工周期短
門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件多為工廠制作，質(zhì)量易于保證，工地安裝方便；除基礎(chǔ)施工外，基本沒有濕作業(yè)；構(gòu)件之間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，安裝迅速。
(3)綜合經(jīng)濟(jì)效益高
門式剛架結(jié)構(gòu)通常采用計算機(jī)輔助設(shè)計，設(shè)計周期短；原材料種類單一；構(gòu)件采用先進(jìn)自動化設(shè)備制造；運(yùn)輸方便等。所以門式剛架結(jié)構(gòu)的工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。
(4)柱網(wǎng)布置比較靈活
傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當(dāng)采用12米柱距時，需設(shè)置托架及墻架柱。而門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用金屬壓型板，所以柱網(wǎng)布置不受模數(shù)限制，柱距大小主要根據(jù)使用要求和用鋼量最省的原則來確定。
1.2 設(shè)計中的注意事項(xiàng)
(1)由于門式剛架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎剛度、抗扭剛度較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較弱，因此設(shè)計時應(yīng)考慮運(yùn)輸和安裝過程中要采取的必要措施，防止構(gòu)件發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。
(2)要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構(gòu)件的連接構(gòu)造，使其能參與結(jié)構(gòu)的整體工作。
(3)組成構(gòu)件的桿件較薄，設(shè)計中應(yīng)考慮對制作、安裝、運(yùn)輸?shù)囊蟆?br />
(4)設(shè)計中應(yīng)充分考慮銹蝕對結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱的影響。
(5)門式剛架的梁柱多采用變截面桿件，梁柱腹板在設(shè)計時考慮利用屈曲后的強(qiáng)度，所以塑性設(shè)計不再適用。
(6)設(shè)計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理，比如風(fēng)力可使輕型屋面的荷載反向等。
2 結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置
2.1 結(jié)構(gòu)形式
門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當(dāng)剛架柱不是特別高且風(fēng)荷載也不是很大時，依據(jù)“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設(shè)計，當(dāng)用于工業(yè)廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設(shè)計成剛接。門式剛架上可設(shè)置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。
2.2 結(jié)構(gòu)布置
2.2.1 剛架的建筑尺寸和布置。
門式剛架的跨度宜為9~36m，當(dāng)柱寬度不等時，其外側(cè)應(yīng)對齊。高度應(yīng)根據(jù)使用要求的室內(nèi)凈高確定，宜取4.5~9m。門式剛架的合理間距應(yīng)綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m�？v向溫度區(qū)段小于300m，橫向溫度區(qū)段小于150m（當(dāng)有計算依據(jù)時，溫度區(qū)段可適當(dāng)放大）。
2.2.2 檁條和墻梁的布置
檁條間距的確定應(yīng)綜合考慮天窗、通風(fēng)屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計算確定，一般應(yīng)等間距布置，但在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。側(cè)墻墻梁的布置應(yīng)考慮門窗、挑檐、雨蓬等構(gòu)件的設(shè)置和圍護(hù)材料的要求確定。
2.2.3 支撐和剛性系桿的布置
(1)在每個溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。
(2)在設(shè)置柱間支撐的開間，應(yīng)同時設(shè)置屋蓋橫向支撐，以構(gòu)成幾何不變體系。
(3)端部支撐宜設(shè)在溫度區(qū)段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應(yīng)根據(jù)房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30~45m，有吊車時不宜大于60m。
(4)當(dāng)房屋高度較大時，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置；當(dāng)房屋寬度大于60m時，內(nèi)柱列宜適當(dāng)設(shè)置支撐。
(5)當(dāng)端部支撐設(shè)在端部第二個開間時，在第一個開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿。
(6)在剛架的轉(zhuǎn)折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應(yīng)沿房屋全長設(shè)置剛性系桿。
(7)由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。
(8)剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應(yīng)滿足壓彎構(gòu)件的承載力和剛度要求，當(dāng)不滿足時可在剛架斜梁間設(shè)置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。
(9)當(dāng)房屋內(nèi)設(shè)有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼；當(dāng)房屋中不允許設(shè)置柱間支撐時，應(yīng)設(shè)置縱向剛架。
3 剛架設(shè)計
3.1 荷載及荷載組合
3.1.1 永久荷載
永久荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自重和懸掛在結(jié)構(gòu)上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構(gòu)件和剛架自重等。
3.1.2 可變荷載
可變荷載包括屋面活荷載（設(shè)計屋面板和檁條時應(yīng)考慮施工和檢修集中荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風(fēng)荷載等。
3.1.3 荷載組合
荷載組合一般應(yīng)遵從《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》GB50009-2002的規(guī)定，針對門式剛架的特點(diǎn)，《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:98給出下列組合原則：
(1)屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應(yīng)取兩者中較大值。
(2)積灰荷載應(yīng)與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。
(3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。
(4)多臺吊車的組合應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。
(5)當(dāng)需要考慮地震作用時，風(fēng)荷載不與地震作用同時考慮。
3.2 剛架內(nèi)力和側(cè)移計算
3.2.1 內(nèi)力計算
對于變截面門式剛架，應(yīng)采用彈性分析方法確定各種內(nèi)力，只有當(dāng)剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內(nèi)力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機(jī)計算。地震作用的效應(yīng)可采用底部剪力法分析確定。
根據(jù)不同荷載組合下的內(nèi)力分析結(jié)果，找出控制截面的內(nèi)力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內(nèi)力組合主要有：
(1)最大軸壓力Nmax和同時出現(xiàn)的M及V的較大值。
(2)最大彎矩Mmax和同時出現(xiàn)的N及V的較大值。
(3)最小軸壓力Nmin和相應(yīng)的M及V，出現(xiàn)在永久荷載和風(fēng)荷載共同作用下，當(dāng)柱腳鉸接時M=0。
3.2.2 側(cè)移計算
變截面門式剛架的柱頂側(cè)移應(yīng)采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)。如果最后驗(yàn)算時剛架的側(cè)移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進(jìn)行調(diào)整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。
3.3 剛架柱和梁的設(shè)計
(1)梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強(qiáng)度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗(yàn)算、腹板屈曲后強(qiáng)度利用驗(yàn)算、腹板的有效寬度驗(yàn)算等內(nèi)容）
(2)剛架梁柱構(gòu)件的強(qiáng)度驗(yàn)算。
(3)梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應(yīng)在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉(zhuǎn)折處設(shè)置橫向加勁肋）
(4)變截面柱在剛架平面內(nèi)的計算長度確定。
(5)變截面柱在剛架平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計算。
(6)變截面柱在剛架平面外的整體穩(wěn)定計算。
(7)斜梁和隅撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計算。
(8)節(jié)點(diǎn)設(shè)計。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設(shè)計、牛腿設(shè)計、搖擺柱與斜梁的連接構(gòu)造等內(nèi)容）
4 輔屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計
4.1壓型鋼板設(shè)計
(1)壓型鋼板材料的選擇可根據(jù)建筑功能、使用條件、使用年限和結(jié)構(gòu)形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235-A鋼。
(2)壓型鋼板的截面形式較多，根據(jù)波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。
(3)壓型鋼板的強(qiáng)度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構(gòu)件計算。計算內(nèi)容包括壓型鋼板腹板的剪應(yīng)力計算、支座處腹板的局部受壓承載力計算、撓度限值驗(yàn)算等。
(4)壓型鋼板尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。
4.2檁條設(shè)計
(1)檁條的截面形式可分為實(shí)腹式和格構(gòu)式兩種。當(dāng)檁條跨度不大于9m時，應(yīng)優(yōu)先選用實(shí)腹式檁條。
(2)檁條屬于雙向受彎構(gòu)件，在進(jìn)行內(nèi)力分析時應(yīng)沿截面兩個形心主軸方向計算彎矩。
(3)檁條應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計算、整體穩(wěn)定計算、變形計算。
(4)檁條尚應(yīng)滿足其他相關(guān)構(gòu)造規(guī)定。
4.3墻梁、支撐設(shè)計
(1)墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。
(2)墻梁在其自重、墻體材料和水平風(fēng)荷載作用下，也是雙向受彎構(gòu)件。
(3)墻梁應(yīng)盡量等間距設(shè)置，在墻面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿處應(yīng)設(shè)置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設(shè)置拉條，并在最上層墻梁處設(shè)斜拉條將拉力傳至剛架柱。
(4)墻梁可根據(jù)柱距的大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續(xù)梁。
(5)門式剛架結(jié)構(gòu)中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設(shè)計。
(6)剛架斜梁上橫向水平支撐的內(nèi)力，根據(jù)縱向風(fēng)荷載按支承于柱頂?shù)乃借旒苡嬎�，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計入壓桿的受力。
(7)剛架柱間支撐的內(nèi)力，應(yīng)根據(jù)該柱列所受縱向風(fēng)荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計算，并計入支撐對柱起減少計算長度而應(yīng)承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。當(dāng)同一柱列設(shè)有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。
5 小結(jié)
綜上所述，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵守以下原則：
(1)保證結(jié)構(gòu)的整體性。門式剛架屬于平面結(jié)構(gòu)，它們在縱向構(gòu)件、支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系下形成空間的穩(wěn)定體系，結(jié)構(gòu)只有組成空間穩(wěn)定整體，才能承擔(dān)各種荷載和其他外在效應(yīng)。
(2)明確各類外力從作用點(diǎn)到基礎(chǔ)的傳遞路徑和傳遞全過程中產(chǎn)生的效應(yīng)。
(3)設(shè)計必須體現(xiàn)計算和構(gòu)造的一致性。
