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摘要：门式刚架是一种较为成熟的结构体系。门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力路径明确、构件制作快键、便于工厂化加工、施工周期短等特点。因此广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。普通门式刚架轻型房屋钢结构的设计理论、计算方法、节点制作在传统设计中均有章可依。然而，关于门式刚架的最大承载计算较少。
关键词：门式刚架；钢结构设计；最大荷载
1 轻型钢结构在我国的发展现状
建筑工程中通常将按建筑面积平摊后，每平方米用钢量小于40公斤的钢结构房屋称为轻型钢结构。轻型钢结构的层数一般为单层或二层，屋面、墙面通常采用轻质材料，其荷载较轻。这种结构外形简洁、美观、节省钢材、安装方便、施工速度快、造价相对较低，并可形成系列化和装配化，能像其它商品一样，进行批量生产，是目前最具有竞争力的结构形式之一。
由于门式刚架轻钢结构具有许多其他结构所不具备的优点，而且经济效益十分显著，因此这种结构形式在国外一经推出就得到了广泛应用。国外轻型钢结构发展较早，由于汽车工业的发展，最初用于建造私人汽车库等简易房屋。二次世界大战时期，由于战争的需要，一些拆装方便的轻钢结构建筑用于营房和库房。60年代以来，国外建筑钢材的发展有了很大突破，色彩丰富而耐久的彩色压型钢板的出现，以及H型钢和冷弯型钢的问世，极大地推动了轻型钢结构的发展，至今已形成为一种特殊的商品。业主不是带着图纸委托加工，而是向承包商定购某种轻型钢结构房屋，承包商在短时间内按业主要求按质建成，并交付使用。这种高质量的快速供货方式，使业主感到十分满意，轻钢结构得以迅速发展。目前，欧美各国由轻钢结构体系建造的非居住单层建筑物占50%以上，日本新建的1—4层建筑大多采用轻钢结构。许多国家如英、美、日、澳等国家己作为一种经济快捷的建筑结构体系，以商品的形式出售。
近几年以来，随着我国钢材产量的增加和焊接H型钢的出现，我国轻钢结构发展迅速。特别是随着门式刚架轻型房屋钢结构技术规程6C(Ecs102:98)的颁布实施，对推动我国门式刚架轻型房屋钢结构的发展起了显著作用。这种房屋结构形式重量轻、用钢省、造价低，在7度及以下地区不需考虑抗震，形式美观具有现代感，用途广泛，制作简单，施工周期短，深受制作、施工企业和广大用户欢迎。据有关资料统计显示到2005年我国已建成的此类结构已达2000多万平方米，而且以每年200多万平方米以上的速度增加。目前，这种结构已成为钢结构行业甚至整个建筑业中发展最快的一种结构类型，己在很大程度上取代了传统的混凝土工业厂房，取得了重大的经济效益。但是，由于我国在该方面起步较晚，正式的设计规范门式刚架轻型房屋钢结构技术规程，直到1998年才出版。在此之前，都是参照钢结构设计规范6G(BJ17一88)和冷弯薄壁型钢结构技术规程6G(BJ18一87)以及国外相关规范进行设计，直到2002年，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的修订版C(ECS102:2002)才颁布。因此，无论在设计水平、设计经验和合理设计等方面都与西方发达国家相比有着较大的差距。近年来，我国的学者对门式刚架的设计进行了不少的探索和研究，取得了不小的成果，并开发出了相应的实用设计软件，如门式刚架轻型房屋设计系统、刚架轻型房屋设计系统PS2000、PKPM及同济大学开发的3DS3等软件均可对门式刚架轻型房屋钢结构进行设计。但按我国钢结构设计规范，在采用国产材料，设计同样的门式刚架厂房，我们的造价要比国外的高20%左右。由于设计规范与国外不尽相同，使得我们设计时又不能照搬国外的设计软件。因此，尽快研究出符合我国的门式刚架截面优化设计方法，降低我国门式刚架轻型房屋钢结构的生产成本就显得格外有意义。
2门式刚架轻型房屋钢结构发展应用前景
一种结构形式的发展应用和前景除与结构自身的特点有直接联系外，还受建材工业、制造、安装及施工水平的影响，同时，也受国家或地区的产业政策和科技发展水平的制约。
门式刚架建筑作为一种轻型房屋钢结构，主要重构件和围护结构一般均采用钢材制造。因此，钢材的产量和加工水平，尤其是建筑钢材对门式刚架的应用起决定性作用。我国的钢铁工业在改革开放后取得了迅猛发展。但目前我国用于建造钢结构房屋的钢材所占的比例仍很小，与发达国家相比存在较大的差距。因此，我国经济的飞速发展，钢铁结构的发展将进一步扩大，门式刚架轻型房屋钢结构作为现代钢结构中的一支奇葩，未来将得到长足发展。
门式刚架轻型房屋钢结构一方面要求能满足承载要求，在外荷载作用下保证结构安全、可靠，具有足够的耐久性；另一方面，又必须提供人类生产生活的舒适环境。众所周知，钢材具有耐腐蚀性差、热膨胀系数大和耐火性差等不利因素。我国幅员辽阔，地区气候差异较大，有的地区日温差也较大，或湿度较大，因此，要使门式刚架轻型钢结构广泛应用必须克服上述不利条件。解决途径主要包括：加强结构的抗腐蚀性研究，并开发出经济、实用且在结构表面涂刷后美观的防腐材料；对外墙和屋面围护材料的研究，实用的围护材料应具有良好的保温、隔热性能，同时应厚度小、重量轻，从目前情况来看，在我国墙面与屋面保温隔热材料也是制约轻型建筑发展的重要因素。
在选择结构形式时，经济性是一重要指标。门式刚架轻型房屋钢结构由于重量轻，单位面积耗钢量小，工程造价与钢筋混凝土结构基本持平。由于门式刚架使用工厂化进行构件加工，制造可达到自动化水平，我国现有钢结构企业如雨后春笋，各地纷纷建厂，但制作和安装水平良莠不齐，在一定程度上使构件的加工和施工费用有所提高，门式刚架轻型房屋钢结构的经济性没有得到充分的发挥。因此，提高结构的加工和安装水平，对于提高结构的经济效益，促进门式刚架轻型房屋钢结构在我国的应用具有重要的意义。
3 工程概况
大部分门式刚架轻型钢结构的设计是在荷载情况、抗震等级、防火强度已知等条件下设计出一种满足人们某种需求的刚架。本毕业设计是门式刚架设计的反算，即已知一种类型的门式钢架，其承受一定的恒荷载、活荷载、风荷载以及自重等，在满足钢结构的各种稳定条件的前提下，进行受力和稳定校核，求其所能承受的最大荷载。
3.1 材料选用
3.1.1 钢材
梁、柱构件均选用Q235B钢材，则：
。其力学性能和化学成分应符合《碳素结构钢》（GB/T 700）并应有抗拉强度、伸长率、屈服强度以及硫、磷含量的合格保证，对焊接结构应满足碳含量的合格保证。
3.2.2 焊接材料
手工焊接时，若主体金属为Q235钢，采用43XX型焊条，其性能应符合《碳钢焊接》（GB/T 5117）的规定。自动焊或办自动焊所采用的焊丝和焊剂，应与主体金属力学性能相适应，并应符合现行国家标准的规定。
4 横梁的强度和稳定分析
4.1 构件宽厚比的验算
1 翼缘部分
为了能保证梁和柱等主要构件的局部稳定性，截面构件受压翼缘板的自由外伸宽度b与其厚度t应该满足：
（3-1）
式中：
为钢材的屈服强度
2 腹板部分：
截面构件腹板的计算高度 与其计算厚度 之比因满足：
.png)
（3-2）
对工字型截面构件腹板受弯及受压板要利用其屈服后强度时，应按照有效宽度计算截面特性，有关计算方法参见《规程》。
4.2 抗剪验算
工字形截面构件腹板的受剪板幅，当腹板高度变化不超过60mm/m时可以考虑屈服后强度，其抗剪承载力设计值按下列公式计算：
；
——受剪板件的凸曲系数；
a——加劲肋间距；当利用腹板屈服后抗剪强度时，横向加劲肋间距a宜为 。
梁截面的最大剪力为：.png)
4.3 弯剪压共同作用下的验算
工字型截面受压构件在剪力V、弯矩M和轴力N共同作用下的强度应符合下列要求：
取梁端截面进行验算
5刚架柱的强度与稳定分析
刚架柱为压弯构件，主要承受弯矩、轴力作用，剪力一般相对较小。压弯构件截面承载力的验算包括强度验算和稳定性验算，其中稳定性验算可以分为整体稳定性验算和局部稳定性验算。按弹性状态设计式，局部稳定性验算多由构件的板件的宽厚比或高厚比控制，在电算分析前通过初选合理截面可满足该方面的要求，而对构件承受集中荷载或局部承载的部位可以设置合理的加劲肋，由加劲肋保证构件的局部稳定性。整体稳定性可分为平面内稳定与平面外稳定两种情况，该类问题为截面验算的重点。
结论
本设计通过参考大量的实际工程图纸、文献和规范，结合门式刚架轻型房屋钢结构的特点，对门式刚架的斜梁、刚架柱及节点等结构的承载力强度和稳定性的计算分析，求出满足该刚架的最大承受荷载，并利用c语言编写程序，求出满足条件的最大恒荷载和活荷载。
从本设计可以得到结论：在满足构件构造、强度、稳定性和变形方面均满足合理条件的前提下，可以得到该种门式刚架所能承受的最大荷载。本设计是合理的。在以后的实际工程中运用到门式刚架，可以直接根据本设计的计算方法，计算出满足条件的最大荷载查，以免造成不必要的工程麻烦。本设计给以后的实际工程提供了一定的方便。
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论文作者:司小军
论文发表刊物:《基层建设》2015年32期
论文发表时间:2017/5/25
标签：钢结构论文; 荷载论文; 结构论文; 构件论文; 截面论文; 房屋论文; 腹板论文; 《基层建设》2015年32期论文;