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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：浅谈门式刚架的发展概况及工程应用
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专 业： 土木工程
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完成日期： 年 月 日
内容摘要
目前,轻型门式刚架结构因其用钢量少,结构自重轻,施工速度快,综合经济效益高等优点,得到了迅
猛的发展。往往在实际结构中,轻型门式刚架的构件与不在同一平面内的其他构件相联系,形成了三维的
空间传力体系。但现有的门式刚架计算基本上以平面模型为主,难以考虑结构的空间共同作用。因此,本
文分别对竖向荷载和水平荷载作用下轻型门式刚架的空间共同工作特性进行了分析研究,对影响轻钢门
式刚架空间共同作用的构件选取进行了优化,以期在设计和应用中达到科学经济的目的。
关键词： 门式钢架；发展；应用
目 录
内容摘要 ............................................................................................................................I
引 言 .............................................................................................................................1
I
1 门式刚架的发展概况 ...................................................................................................2
1.1 适用范围 .............................................................................................................2
1.2 门式刚架的发展现状 .........................................................................................2
2 门式刚架的主要结构特点 ...........................................................................................6
2.1 结构优点 .............................................................................................................6
2.2 力学模型 .............................................................................................................6
2.3 屋面支撑设计 .....................................................................................................9
3 门式刚架的主要设计要点 .........................................................................................10
3.1 设计与施工要点 ...............................................................................................10
3.1.1 设计 .........................................................................................................10
3.1.2 施工 .........................................................................................................10
3.2 屋面活荷载的取值和布置 ...............................................................................10
3.3 合理跨度的确定 ...............................................................................................11
3.4 刚架最优间距的确定 .......................................................................................11
3.5 柱脚的抗风措施 ...............................................................................................11
3.6 檩条和墙梁的布置 ...........................................................................................12
3.7 支撑和刚性系杆的布置 ...................................................................................12
4 门式刚架的主要工程应用 .........................................................................................13
4.1 门式刚架的结构形式和设计原则 ...................................................................13
4.2 门式刚架应用工程实例 ...................................................................................13
4.2.1 结构选型和布置 .....................................................................................13
4.2.2 荷载的计算 .............................................................................................14
4.2.3 节点设计和施工安装 .............................................................................26
4.3 门式刚架发展和应用前景 ...............................................................................30
5 常见的技术问题及解决办法 .....................................................................................32
5.1 节点问题 ...........................................................................................................32
5.2 构件的加工制作 ...............................................................................................32
5.3 预埋件（锚栓）问题现象 ...............................................................................32
5.4 锚栓不垂直现象 ...............................................................................................33
5.5 锚栓连接问题现象 ...........................................................................................33
5.6 现场焊缝现象 ...................................................................................................33
5.7 柱垂直偏差过大 ...............................................................................................33
5.8 构件的变形问题 ...............................................................................................33
II
6 结论与展望 .................................................................................................................35
参考文献 .........................................................................................................................36
III
引 言
钢结构通常是由型钢和钢板等制成的梁、析架、柱、板等构件组成的工程结构。各部分之间用焊缝、
螺栓或铆钉连接 , 有些钢结构还部分采用钢丝绳或钢丝束。钢结构与钢筋混凝土结构、木结构和砖石等砌
体结构都是工程结构的不同分支。它按行业通常分为轻型钢结构 ! 高层钢结构 ! 住宅钢结构 ! 空间钢结构和
桥梁钢结构五大子类。
钢结构体系具有材质均匀、强度高、塑性韧性好、自重轻、密封性好、安装快捷、施工周期短、投
资回收快、环境污 染 少等优点。与钢筋混凝土结构相 比 , 更 具有在 ， 高、大、轻。三 个方 面发展的 独 特优
势 。在 全球 范围内 , 特别是发达 国家 和 地区 , 钢结构在 建筑 工程 领域 中得到了合理、 广泛 的应用。钢结构
的发展与应用和 当时 的钢 铁冶炼 技术和钢 铁产 量有 着 密 切地关 系。 我国古代 钢 铁冶炼 技术在 世界处于领
先地位 , 因此 我国 钢结构有 着悠久 的 历史 。 公元 前 200 多年 的 秦始皇时代就己 用 生铁建造 桥 墩 , 公元 60 年
左右汉明帝时代就建造 了 铁链悬 桥 ( 兰津 桥 ), 在 宋朝建造 了 13 层高的 湖北荆州玉泉寺铁塔 。在 西方随着
18 世纪 工业 革命 的 兴起 , 冶炼出 了抗 拉 性 能 好 于生铁 的 熟铁 ;19 世纪 20-30 年代出 现了铆钉 , 之 后又出 现铆
接 熟铁 结构 , 使 桥梁和其它 建筑 的跨度得以 增 大。
1
1 门式刚架的发展概况
1.1 适用范围
《 门式刚架轻型 房 屋钢结构技术 规 程 》公 布以 来，该 类工程发展迅猛。目前 ，国 内 每年 都有上 千万
平 米 的门式刚架轻钢 建筑 工程 ， 主要应用范围 如 下 ：
（ 1 ） 单 层工业 厂房 。门式刚架轻钢结构因其重量轻、跨度大、 易于 组合 ， 是 建造单 层 厂房 的优选
结构形式 ，厂房 内 可 设 5t 以下 悬挂吊车 或 起 重量 小于 20t 的中轻 级 工作制 吊车 。
（ 2 ） 单 层 仓储建筑 。采用门式刚架轻钢结构 外 形 美观，库 内空间大 ， 施工周期短 ，改建 或 转 向容
易 。因此 ，可广泛 用 于码头仓库，商品仓库 及工 厂 各 种库房 。
（ 3 ） 商 业 建筑 。 随着城乡 经济 繁荣， 各 种商 业 建筑，如超市 、 贸易 中 心 、 农贸市 场等都要 求建筑
物 跨度大、 视野开阔， 门式刚架结构是合理的结构形式之一。
（ 4 ）文 娱 设施和体 育馆 。门式刚架结构 可满足 大跨 美观 的要 求，如 学 校 内体 育馆 、 小礼堂 等。
（ 5 ） 旧建筑 的 翻修 与加层。 随着 经济的发展 ，旧建筑 的 翻修改造 业 务 不 断增 加 ，如 轻质 隔 墙和高
级 装 修 的内 外 墙面 ， 在原有 建筑 上加层都 离 不 开 门式刚架轻钢结构。
1.2 门式刚架的发展现状
门式刚架轻型 房 屋钢结构主要是由梁、柱、檩条、墙梁、支撑、屋面和墙体等构件组成的一 种 结构
体系。具有重量轻、 整 体刚度 较 好、柱 网 布置 灵 活、支撑系 统简洁 、综合经济效益 较 高等特点。 被广泛
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。 如 各类轻型 厂房 、体 育 场 馆 、 车站候车 大
厅 、 仓库 、 物流 中 心 、大型 超市 、展 览厅 、活 动房 屋、加层 建筑 、 码头建筑 、办 公 场 所 以及 辅助 性 建筑
等。
1 门式刚架轻型 房 屋钢结构的发展 历史
从人 类发展 历史看 , 建筑 形式与结构体系的 产生 与发展 总 与一定 时 期的 生产 和 生 活水平密 切 相 关 ,门
式刚架轻型 房 屋钢结构的 产生也 有 着 特定的 历史背 景。
轻型钢结构在 国外 发展 较早 ,最 初 是 随着汽车 工业的发展,主要用 于建造私人车库 等 简易房 屋。 第二
次世界 大 战 期间,由 于战争 的 需 要,轻型 房 屋钢结构主要用 于建造 一些 拆 装 方便 的 营房 和 库房 。
门式刚架轻型 房 屋钢结构最 早起源于美国 , 并且 发展最快、应用最 广 。 后来 在 欧洲 、 日 本和 澳 大 利
亚 等 国也 得到了 广泛 发展和应用。因其构件制作快捷、 便于 工 厂 化加工、施工周期短等特点,此 种 结构
形式一经 推出就深受建筑 业 喜爱 。
2 我国 门式刚架轻型 房 屋钢结构的发展
我国 门式刚架轻型 房 屋钢结构的研究和应用 起步较晚 , 建国初 期在一些 旧 工 厂改建时曾 应用过类 似
门式刚架体系的结构。上 世纪 50 年代我国 大 规 模 建 设 时 期,为了节 约 钢材,则大量 地 采用钢筋混凝土构
件。 80 年代后 , 随着外 资的引进,门式刚架结构因其结构 简洁 、刚度 良 好、 受 力合理、 使 用空间大及施工
方便 等特点,得到迅速发展。主要 表 现在 两个方 面 :
① 外国厂家 的进 入 , 新 技术 新产品 的引进
2
(1)1979 年 上 海 引进 日 本 S60 压 型钢板成型 机并 用 于厂房仓库 的屋面, 1980 年 上 海宝 钢引进 日 本
W550 、 V115N 压 型钢板成型 机 , 并 在一期工程屋面墙面围 护 结构应用 近 60 万 平 方米 ,是 80 年代初首次 用
量最大的工程。
(2)1983 年开始深圳 经济 开 发 区蛇口 工业 区 大量引进 英国 、 美国 、 澳洲 和 日 本等 国 门式刚架轻型钢
结构 厂房仓库 。 随后沿海 经济 开 发 区也陆续 引进 国外 轻钢 厂房仓库 。
(3)1994 年美国公司 投资 创建 上 海美建 钢结构有 限公司 , 1996 年嘉 定工 厂建 成投 产 。
(4)1994 年美国美 联钢结构有 限公司(U.S.A.公司) 和 美国 宏宇 建筑 有 限公司 在中 国建 成工程 数十项 。
(5)1994 年 AS TRO N 建筑 体系进 入 中 国 , 先后 在 北 京 、 苏 州 等 地建 成 十几项 大工程。
而 后 还有 很 多外 资、 台 资 企 业进 入我国 。
② 门式刚架轻型钢结构 房 屋在 我国 的发展
(1)1980 年 上 海宝 钢 建 设 指挥 部成 立 压 型钢板 压 型 铝 板 试验 研究 专 题组,对一期工程引进的 日 本 彩色
涂 层 压 型钢板及成型设 备 进行 消 化 吸 收, 试验 利 用 国 内 铝 合 金 板 替 代 彩色涂 层钢板 做 成 压 型板用 于 屋面
墙面围 护 结构,经过 调查 及大量的 试验 研究,在 宝 钢一期工程屋面墙面 推广 应用 铝 合 金 压 型钢板 60 多万
平 方米，
(2)1984 年冶 金 部 建筑 研究 总 院 科研 人 员 在学 习 上 宝 钢及 深圳蛇口 工业 区压 型钢板及门式刚架轻型
钢结构 国外先 进技术的基 础 上,结合 我国 具体 情 况研究 开 发门式刚架轻型钢结构 厂房仓库 , 首先 用 于商 业
部 急 需建 设的 国家 棉花 储 备 仓库 ,三 年 间在 冀鲁豫 三 省四十 多个地区 , 建 设轻钢 棉花 仓库 300 多 栋 , 建筑
面 积 达 20 多万 平 方米 。
(3) 冶 金 部 建筑 研究 总 院 是 国 内最 早 进行轻型钢结构 房 屋研究 开 发的 单位 , 院 内有一 批 科研 人 员 对
轻型焊接 H 型钢、 冷弯薄壁 型钢、 压 型钢板的力学性 能 、加工工 艺 及其加工设 备 、 另配 件连接件及密封
材 料 进行研究 开 发, 并 结合工程进行轻型钢结构 建筑 的设计和 推广 应用,主 持 或参加 国家规 程 规 范和 标准
的 编 制。
(4)随着我国 经济的快速 增 长 ,门式刚架轻型钢结构 房 屋行业 也 得到 飞 速发展, 尤 其在 东南 沿海地区 ,
新建 工 厂仓库 的 需求增 长促 使 轻型钢结构 房 屋加工安装的 厂家如 雨 后 春笋般 的发展 起来 , 从开始 的 小规
模发展到现在的现 代 化大 企 业, 杭萧 钢构、 浙江精 工、 恒 达钢构、上 海 通用、 吴泰 钢构、 宝 钢 彩 板、 北
方 空间钢构、 北 京福田 钢构、 北 京 多 维钢构、 四川恒升 等 企 业都是 专 业门式刚架轻型钢结构 厂家 , 每年
的 销售额 都在 几亿 、 十几亿 元 以上。
除 此之 外 ,门式刚架轻型 房 屋钢结构的有 关 设计施工 规 程 规 范和 图集 也 在进一 步 完善 。
(1)冶 金 工业部部 标准 《压 型 金属 板设计施工 规 程 》 YBJ 216 - 88 , 冶 金 工业部 建筑 研究 总 院 主 编 。
(2) 中 国 工程 建 设 标准 化 协会标准 《 门式刚架轻型 房 屋钢结构技术 规 程 》 CEC S102:2002 。 《 门式刚
架轻型 房 屋钢构件 》 JG 144 - 2002 。
(3) 中 华 人民 共和 国国家 标准 《 冷弯薄壁 型钢结构技术 规 范 》 GB 50018 - 2002 , 《 钢结构工程施工质量
验 收 规 范 》 GB 50205 - 2002 中都有刚架、檩条与墙梁、 压 型钢板的 专 门 章 节。
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(4)新 编标准图集 有 :《 门式刚架轻型 房 屋钢结构 ( 无 吊车)》 图集号 02S G 518 - 1 , 《 门式刚架轻型 房 屋
钢结构 ( 有 吊车)》 图集号 04S G 518 - 3 , 《压 型钢板、 夹芯 板屋面及墙体 建筑 构 造》01 J 925 - 1 , 06 J 925 - 2 等。
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2 门式刚架的主要结构特点
门式刚架结构自重 小 、施工周期短、 造 价低 等优点 而 为 广 大 建筑 师 、结构 师 所 接 受 和采用。
2.1 结构优点
门式刚架结构与其他结构形式相 比， 具有结构 简单 、 受 力合理、刚度 良 好、 使 用空间大及施工 方便
等优点 ， 具体 如 下 ：
① 用钢量少,自重轻。门式刚架轻钢结构采用 防 水、围 护 一体化的轻质 多 功 能新 型屋面和墙体材 料 ,
大大 减 轻了荷载重量。其 承 重构件 普遍 采用高强钢材,以 减 轻结构自重。通常门式刚架轻钢结构的重量
只 有钢筋混凝土结构的 1 / 8 ~ 1 / 10 ,是 普 通钢结构重量的 1 / 2 ~ 1 / 3 。
② 适应性强。门式刚架轻钢结构的跨度、柱距设置 灵 活, 单 跨、 多 跨 可随 意 组合, 可 应用 于 不同工 艺 、
不同 规 模、不同用 途 的各类 建筑 中。
③ 施工速度快、周期短。结构件工 厂 化 生产 ,效 率 高、 精 度高、质量 稳 定,工 地 拼 装,施工 简便 、迅
速、工期短。一 般 5000 ~ 10000 m 2 的 单 层工业 厂房 工期 仅 需 3 个 月 。
④ 符 合 美观 、经济、实用的原则。 造 价 合理,投资见效快,综合经济效益好。空间 使 用 率 高, 外观
新 颖 别 致 , 时代 感 强。
⑤ 符 合环 保 要 求 。 无粉尘 、 无噪音 , 建筑 垃圾 少 ; 易拆 卸 , 可 再 次利 用。 利 用 率 可 达 100 % , 利于城市
环境 保 护 。
2.2 力学模型
刚架的内力分析与设计是基 于初步 设计确定的结构体系 建 立 力学模型 ， 计算结构构件的内力与变形 ，
根据 内力分析结 果 校 核 构件的 承 载力 ，并 对刚架的节点进行设计和 验 算。力学计算模型 涉 及的内容 包括
构件 单元 类别的确定、节点定 义 、 几何 模型的 建 立 、荷载的取值与 导 算、荷载组合、分析 方 法的选 择 等；
构件和节点设计主要内容为构件的 承 载力、变形及 稳 定性 验 算 ，并 依据 选 择 的构件 截 面设计节点 ，校 核
节点 承 载力。
门式刚架系 超 静 定结构 ， 内力计算一 般 采用 弹 性分析 方 法。门式刚架结构的内力分析 依据 结构布置
情 况的 规 则性与 复杂 程度的不同 ，可 采用 简 化的平面结构或考虑空间 整 体作用 建 立 计算模型。一 般情 况
下 ， 结构平面布置 较规 则、构件分布对 称 ， 刚架 无局 部不 规 则的 夹 层与 凸 起，所受外 部荷载 较 为均匀 ，
则 可简 化为平面结构计算刚架的内力。 当 结构平面布置或竖向布置 呈 不 规 则 时， 或 受 载 情 况 复杂 等条件
下 ，如 按传 统 的平面门式刚架 简单 分析 ， 其结构 走 出 工程设计 允许误 差范围 ，且 情 况 复杂 时简 化工作 更
是 困 难 ， 尤 其是对 于 纵 向水平支撑与屋面系 统 的 简 化 ， 此 时 应采用空间结构进行计算。
2.3 屋面支撑设计
门式刚架结构空间 整 体 稳 定性主要由柱间支撑和屋面支撑决定 ， 屋面支撑 较 柱间支撑 复杂 ， 因此 ，
设计中应对 整个 结构的空间 受 力进行 认真 分析 ， 布置合理的支撑体系 ， 保证 结构的 整 体 稳 定。屋面支撑
的刚度是屋面刚度的主要影响因 素 。屋 盖 刚度 越 大 ， 其 承担 的力 越 大 ， 刚架的空间作用 越 大。刚架 纵 向
柱间距和跨度 增 大 ， 必须 加强屋面支撑刚度 才 能满足 屋面刚度 需求 。
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3 门式刚架的主要设计要点
3.1 设计与施工要点
3.1.1 设计
(1) 由 于 门式刚架结构构件的抗 弯 刚度、抗 扭 刚度 较小， 结构的 整 体刚度 较 弱 ， 因此设计 时 应考虑
运输 和安装过程中要采取的 必 要措施 ， 防止 构件发 生 弯曲 和 扭 转 变形。
(2) 要重 视 支撑体系和 隅 撑的布置 ， 重 视 屋面板、墙面板与构件的连接构 造，使 其 能 参与结构的 整
体工作。
(3) 组成构件的杆件 较 薄 ， 设计中应考虑对制作、安装、 运输 的要 求 。
(4) 设计中应 充 分考虑 锈蚀 对结构构件 截 面 削弱 的影响。
(5) 门式刚架的梁柱 多 采用变 截 面杆件 ， 梁柱 腹 板在设计 时 考虑 利 用 屈曲 后 的强度 ，所 以塑性设计
不 再 适用。
(6) 设计中对轻型化 带 来 的 后 果必须注意 和 正 确 处 理 ，比如 风力 可使 轻型屋面的荷载 反 向等。
3.1.2 施工
在施工中 ， 对焊接结构焊接工 艺 上应 增 加预 热 措施 ， 同 时 严格检查 ， 要 求 施工 人 员 按 规 定和构 造 去
做 ， 做 好成 品 的 保 护， 加强施工中的质量 监督 。钢材的 防腐蚀 问题应引 起足 够 的 注意 。钢材 易 腐蚀 ， 设
计 时 应 尽 量 避免暴露 在空 气 中 ， 对 承 重结构 必 要 时 采取特 殊防 护 措施 ，如 涂漆 、 电镀 等。
3.2 屋面活荷载的取值和布置
门式刚架结构设计的主要 依据 为 《 钢结构设计 规 范 》 （ GB 17 - 88 ） ，《 冷弯薄壁 型钢结构技术 规
范 》 （ GB 18 - 87 ）和 《 门式刚架轻型 房 屋钢结构技术 规 程 》 （ CEC S102：98 ） ， 对 于 屋面结构 ，《 钢结构
设计 规 范 》规 定活荷载为 0.5 K N /m 2， 但构件的荷载面 积 大 于 60 m 2 的 可 乘折减 系 数 0.6 ,门式刚架 符 合此
条件 ， 活荷载取为 0.3 K N / m 2 , 国外 这 类 房 屋设计 时， 要考虑 0.15 - 0.5N / m 2 的 附 加荷载 ，我国 无 此 规 定 ，
现在有的 框 架梁 太细 ， 檩条 太 小，明 显 有 克扣 荷载现象 ， 遇 到大风或其他原因 造 成 超 载 ， 很 容 易出 安 全
问题 ， 因此屋面活荷载的取值决不 能 再 小， 不 能 在有 限 的活荷载中 挖潜 。
3.3 合理跨度的确定
不同的 生产 工 艺 流 程和 使 用 功 能 在 很 大程度上决定 着厂房 跨度 ， 有的业主 甚至 要 求 轻钢 生产厂家 根
据 自 己 的 使 用 功 能， 确定 较 为经济的跨度。在 尽 可能满足生产 工 艺 和 使 用 功 能 上 ， 应 根据 房 屋的高度确
定合理的跨度。一 般情 况下 ，当 柱高、荷载一定 时， 适 当 加大跨度 ， 刚架的用钢量 增 加不 太 明 显 ， 但节
省 空间 ， 基 础 造 价低 ， 综合效益 较 为 可观 。通过大量计算发现 ，当 檐 高 6 m 、柱距为 7.5 m ， 荷载 情 况 完
全 一 致 下 ， 跨度在 18 - 30 m 之间的刚架 单位 用钢量（ Q 235 -B ）为 18 - 28 kg/ m 2，当 跨度在 21 - 48 m 之间的
刚架 单位 用钢量为 25 - 40 kg/ m 2，当 檐 高为 12 m 、跨度 超 过 48 m 时 宜 采用 多 跨刚架（中间设置 摇摆 柱） ，
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