门式刚架结构体系是近年发展起来的新型结构体系，是指以高频焊接或热轧H型钢截面门式刚架为主的横向承重结构和由冷弯成型的檩条、墙梁、墙柱、屋面板及墙板等组成的轻钢建筑。门式刚架的结构体系主要包括以下几个部分：

1.主结构：门式刚架（包括中部和端部刚架）、托梁、支撑体系等；

2.次结构：屋面檩条和墙面檩条（墙梁）等；

3.围护结构：屋面板和墙板；

4.基础。

 

门式刚架房屋钢结构是现阶段国内轻钢结构的代表,是目前应用最广泛的结构形式之一。但是门式刚架结构的不合理建筑结构设计往往会导致结构用钢量的增加。通过学习现有的《钢结构设计规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，比较不同的厂房设计，总结出影响厂房用钢量的因素，并提出厂房合理优化设计的方法。

1.规范与规程的选择

现在钢结构设计主要依据的规范或规程为《钢结构设计规范》(GB50017-2003)和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)（以下简称《规程》）。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)适用于轻型屋盖和无桥式吊车或起重量不大于20T（刚架间距6米时不大于30和）的中、轻级桥式吊车或3T悬挂式起重机的单层房屋结构的设计、制作和安装。

对符合《规程》要求的门式刚架分别采用《钢结构设计规范》(GB50017-2003)与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)进行计算,并对两种计算结果的含钢量进行经济比较。研究分析两种规范的挠度差异性和局部稳定构造差异性,这两种的差异性是导致计算设计结果不同的主要原因,采用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)计算设计出来的主结构的含钢量比采用《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的主结构的含钢量减少37.53%,刚架的总重量则减少27.09%。 

2.结构形式

门式刚架的结构形式按跨度可以分为单跨、双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡和多脊多坡。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中推荐使用单脊双坡门式刚架，而不推荐多脊多坡门式刚架。这是因为在其他条件都相同的条件下，屋脊两侧各需要一根檩条，内天沟两侧也各需要一根檩条，从而多一个屋脊就需要多一根檩条，多一个内天沟也需要多一根檩条。这样就会增加檩条的用钢量。

3.柱间距

结构设计中，柱网的平面布置首先取决于工艺要求，然后在工艺要求允许的前提下，选择合理的跨度和柱间距。

采用PKPM钢结构计算程序，通过模拟一个生产车间，宽90米，长180米，檐口高度7米。考虑跨度15米x6跨、18米x5跨、22.5米x4跨、30米x3跨、45米x2跨共5种，及柱距为3米、6米、7.5米、9米、12米、15米、18米共7种情况。对主刚架和次构件做5x7合计35种组合的分析计算，对7种不同柱距情况下的檩条计算。分析总结出一定规律：

1）随着柱距的增大，厂房刚架部分用钢量占整个厂房结构用钢量比重逐步下降，并且随着柱距的增大，下降的幅度逐渐趋于平缓；

2）其他各项（吊车梁，檩条等）的用钢量均随柱距的增加而增加，檩条因长细比的要求，用钢量增加也较快；

3）整个单层厂房上部结构，其总用钢量随柱距的增加先是逐渐减少，而后增加；

4）综合来看，一般厂房，经济柱间距7~9米。当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取较大值；当吊车吨位较大时，柱间距取较小值。

5）门式刚架的经济跨度一般在18~36米。无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18~24米；吊车吨位较大时，经济跨度在24~30米.

4.围护系统

通常情况下轻钢结构建筑的柱距在6m到9m之间,使用Z型檩条或C型檩条的形式,均能满足建筑的要求。当客户对室内的功能要求更高,室内使用率要求更高时就难以满足。如果柱距达到9.0m以上,不超过15.0米时,屋面檩条采用高频焊接H型钢。当柱距小于12米时，墙面可不设置构造墙柱；当柱距为15米时，中间7.5米处设置一个构造墙柱；当柱距为18米时，中间9米设置一个构造墙柱。

5.刚架梁优化

 通常情况下，刚架梁采用变截面，为使梁截面最经济，屋面梁采用三段变截面。即在梁端负弯矩部位采用变截面而在梁跨中部位采用等截面。跨中等截面的起点和终点确定方法：首先，用PKPM对屋面梁进行等截面设计，得到其内力包络图；然后查找梁中负弯矩略小于跨中正弯矩的点，此二点即为等截面梁段的起止点。简化取值时，梁分段为1：2：1.

6.钢材材质

当主结构采用不同钢号时，其跨度变化对总用钢量的影响有一定差异。当采用Q235钢时，用钢量仍符合马鞍形分布的规律，在18~24米之间较低，到30米时明显上升；当刚架采用Q345钢时，则跨度18米、24米、30米的总用钢量差别不大，不论柱距如何，各种跨度用钢量均几乎保持为等量的常值。

结合市场现状及常见工程实际情况，并分析比较，主刚架、吊车梁可采用Q345B材质，柱间支撑、加劲板、制动板、辅助桁架及檩条可采用Q235材质，整体经济性比较好。

总结

通过以上分析，门式刚架钢结构厂房，在满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求的前提下，以《规程》作为设计计算依据，采用合理的结构形式和柱间距，仔细优化柱梁截面和合理选材，可取得较好的厂房设计用钢量，有效降低工程造价：

1.不论是否设有吊车，门式刚架的较经济跨度建议在18~24米范围内采用，其合理的最大跨度不宜大于36米；

2.不论是否设有吊车，门式刚架的合理柱距建议采用7~9米的较大柱距，对无吊车刚架采用较大柱距的经济性更为明显；

3.门式刚架的跨度及荷载较大时，或设有吊车时，建议其主结构宜采用强度较高的Q345号钢；