轻钢门式刚架厂房设计(不含吊车)

门式刚架轻钢厂房设计

常见的厂房效果图

“门式刚架轻型房屋钢结构”，其中“门式”，主要有两种形式：双坡、单坡。门式刚架不仅仅只针对轻钢，也包括普钢。轻钢门规仅仅是门式刚架结构中的轻钢部分。

双坡（人字坡）

单坡

“轻钢”，这里有比较具体的限定：“单跨或多跨实腹式门式刚架”、“轻钢屋盖和轻钢外墙”、“起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或没有吊车（当然也可以是单梁吊车）”、“悬挂吊车起重量不超过3t”、“单层”、“跨度一般不宜超过36m”、“高度一般不宜超过12m”、“柱距一般不宜超过9m”。后面三条，一般超过36米就不宜在选用轻钢规范设计了。刚架高度、柱距可根据实际情况选择规范，并不是限定的那么严格。

门式轻钢，多用于生产车间、仓库、厂房钢结构。设计时，首先要确定规范的采用，不能一概而论的所有门式的就都是轻钢。一些大吨位吊车，格构柱等的门式结构为重（普）钢结构，需按《钢结构设计规范》来采用。

简单的轻钢门式厂房结构

上图是最简单的门式轻钢厂房：四连跨，单跨人字坡24米，无吊车，铰接柱脚。

门式轻钢厂房结构体系的构成：主结构、次结构、围护结构、其他附属结构。

◇主结构：横向主钢架结构中最主要的部分，也是主受力部分，在门刚中为平面结

构，面外稳定需要依靠其他系统来辅助达成，在设计时，要

充分考虑到钢架的面外稳定问题。刚架主要包括实腹钢梁、

钢柱，在轻钢中多用楔形截面，有效利用构件截面特性。

主刚架

支撑系统支撑系统在整个结构体系中的用钢量并不大，但却是非常重要的。对比主钢架来说，虽然其重要程度不如主钢架，但是

因现在的设计均为计算机辅助设计，主钢架的计算可以利用

设计软件非常准确的计算求得，但支撑系统的布置，截面选

择等却需要有一定的人为因素参与，所以其显得更为重要。

并且支撑系统承担着整个结构纵向传力及整体稳定的重要

作用。以后在其他结构体系特别是空间结构设计中，在选型

的最前期，就该有整个体系的稳定概念，这样才能从大方向

上把握住整个结构的安全性和选型的合理性。门刚支撑系统

包含屋面横向支撑、柱间支撑、系杆等。注意在屋脊及柱顶

位置的系杆一般均需通长设置。

支撑系统

吊车系统吊车系统包括吊车梁（桁架），制动系统、辅助系统、支撑

系统等，其自身系统相对来说比较独立，但也需和其他结构

有效配合，才能形成安全、稳定的结构体系。

托梁系统托梁仅在抽柱的情况下出现，计算时可利用托梁的弹性刚度

作为抽柱榀的弹性支座（仅指竖向），把该位置支座反力传

递至两相邻刚架，同时水平力靠与屋面纵向支撑系统传递给

相邻榀。（一般情况下屋面系统仅设置横向支撑）

◇次结构：屋面檩条主要采用冷弯薄壁型钢，一般有C型檩条、Z型檩条，其他

当跨度较大时也会采用大通H型钢及方管、桁架式等，其布

置方式有简支梁、连续梁两种，主要用途是作为屋面围护结

构（屋面板）的支承结构，并和隅撑配合组成屋面梁的面外

支承点。檩条按其跨度应根据规范要求设置拉条。

屋面檩条布置

墙面墙梁与屋面檩条相同，多采用C型、Z型冷弯薄壁型钢，或者大通H型钢、方管等。

墙面墙梁布置

抗风柱抗风柱多布置于山墙，主要用于端开间跨内风载传递给主结

构。山墙风载通过抗风柱传递给屋面支撑，再由屋面支撑传

递到柱间支撑，经柱间支撑传递至基础。抗风柱的材质一般

同主结构的Q235B或Q345B。

山墙抗风柱布置

◇围护结构：屋面板一般采用建筑用压型钢板，考虑排水问题，一般选用高波板。

建筑用压型钢板的基材采用冷轧薄钢板作为原板，在原板表

面做热镀锌镀层，或者热镀铝锌镀层，形成基板，即镀层板，

在镀层板表面涂覆有机涂料，形成涂层板。涂层板经辊压冷

弯，沿板宽方向形成波形截面的成型钢板即为压型彩钢板。

其与屋面檩条的连接方式一般有打钉连接，其他固定件连接

等。一般大型屋面还有采光要求。

屋面板

墙面板墙面也是采用建筑用压型钢板，一般选用低波板，连接形式

主要采用打钉连接。

墙面板

门窗通风、采光、通行之用。常用的有铝合金窗及塑钢窗（厂房）；

卷闸门（电动、非电动）、推拉门及平开门等。

◇其他结构：女儿墙为保证结构外形美观，将墙体升高，使四周平齐整洁。

气楼主要为了实现厂房内部通风换气的需要，一般做在屋脊位

置，也有其他做法和布置方式。一些还兼有采光功能。

雨棚门洞口挡雨用。

爬梯屋面检修用。

基础属土建结构。设计时要根据结构实际受力情况分析基础和钢

结构的经济性指标。例如上部结构采用柱脚刚接，可有效节

约一部分钢材用量，但基础会增加更多资金投入；上部采用

铰接，虽基础变小，但上部会相应增加一部分用钢量。所以

在选择结构柱脚方式的时候，首先要根据结构自身受力特点

来确定，其次也要考虑整体的经济性指标，做到结构合理且

经济。（先是结构合理，之后考虑经济性）

设计软件介绍：门刚结构，一般采用PKPM门式刚架二维设计或3D3S轻型门式刚架设计模块。

PKPM门刚设计模块

PKPM门刚模块界面

3D3S轻型门式刚架设计模块

3D3S轻型门式刚架模块界面

结构材质介绍：主结构常用材质为Q235B、Q345B。

Q235B属于碳素结构钢（低碳钢），适用标准为GB/T 700-2006《碳素结构钢》，Q代表屈服点，其屈服强度为235。

碳素结构钢根据含碳量多少分为低碳钢（含碳量0.02%~0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%~0.60%）、高碳钢（含碳量0.60%~2.00%），建筑钢结构主要使用低碳钢。

另每个牌号内又有不同的质量等级（A、B、C、D），建筑主结构以使用B级钢为主，另根据结构特点也可适当提高等级标准，A级钢禁止用于主结构。对于等级标准的区分主要在于含碳量标准及夏比（V型缺口）冲击试验要求，A级钢是不做冲击试验要求的，B级钢有常温20度下的冲击试验要求，C级钢要求试验温度为0度，D级钢为-20度。

另钢材根据脱氧方法不同，还分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。建筑钢结构主体结构一般均采用镇静钢（Z），在书写钢材牌号时可以不标注Z，此时默认为镇静钢。

Q345B属于低合金高强度结构钢（低合金钢），适用标准为GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》，Q代表屈服点，其屈服强度为345。

合金钢根据合金元素含量多少分为低合金钢（合金总含量小于5%）、中合金钢（合金总含量5%~10%）、高合金钢（合金总含量大于10%），建筑钢结构主要使用低合金钢。

另每个牌号内又有不同的质量等级（A、B、C、D、E），建筑主结构以使用B级钢为主，另根据结构特点也可适当提高等级标准，A级钢禁止用于主结构。对于等级标准的区分主要在于夏比（V型缺口）冲击试验要求，A级钢是不做冲击试验要求的，B级钢有常温20度下的冲击试验要求，C级钢要求试验温度为0度，D级钢为-20度，E级钢为-40度。

另钢材根据脱氧方法不同，还分为镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。建筑钢结构主体结构一般均采用镇静钢（Z），在书写钢材牌号时可以不标注Z，此时默认为镇静钢。

当板厚超过40mm（35mm），并有Z向（板厚度方向）受力要求时，一般均另需对钢板追加Z向性能要求，主要目的是为了防止焊接或受力时产生厚度方向的层状撕裂，以保证结构安全。

吊车梁、抗风柱、托梁等结构构件也需按规范选取B级钢或更高质量等级，不可使用A 级钢。

支撑采用的圆钢、角钢等可以根据需要选择，也可以酌情选用A级钢。一般对于此类构件，均可直接标注Q235或Q345（质量等级不做要求）。

另针对成品型钢，可根据实际情况判断选择是采用镇静钢还是沸腾钢，要考虑型钢加工工艺及市场供应等条件合理判定。

冷弯薄壁型钢檩条（墙梁），因材质比较特殊，其基材是以热轧钢卷为原料，经过冷轧工艺后形成。由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化。一般冷轧都会经过退火处理，以部分的改善其性能。需要注意的是实际上冷轧板强度、硬度较高，现在设计时根据规范也只提供了Q235、Q345两种，实际上可能有强度更高的冷轧板，但我们设计的时候仍以此两种材质为准。冷轧板一般不宜用于焊接。

屋面、墙面压型钢板一般也为冷轧钢板压制成型。另外也可能采用夹芯板、铝合金板等。一般的长屋面板均有在温差下的伸缩要求，所以其与檩条连接件间多保留伸缩功能（打钉除外），所以设计檩条时应加以注意（面板是否可以阻止屋面檩条翼缘的失稳）。

PKPM针对构件材质的选择在：“参数输入”>>“总信息参数”中

材质定义3D3S软件在：“构件属性”>>“定义材性”中

材性定义

门刚结构布置

门式刚接结构布置主要还是依据于建筑要求及厂房或车间的生产工艺要求，一般在结构设计前就已经根据工艺布置确定了刚架的跨度及纵向柱距。在此前提下，结构设计在结构布置上需要考虑温度区段的分割及结构支撑的布置。

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 CECS 102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距），应符合下列规定：

纵向温度区段不大于300m；

注释：垂直跨度方向。

横向温度区段不大于150m。（当有可靠计算依据时，可以适当加大，例如业主要求一定要超过150m，但不可分段）

注释：跨度方向。

当有计算依据时，可采用两种做法：

1、设置双柱（最直接、最安全、也最合理，适用于纵向与横向）；

注释：利用双柱把本来应该是同一个的整体结构分割成完全独立的两个结构或者多个结构。

2、搭接檩条、墙梁的螺栓连接处采用长圆孔，并使该处屋面板、墙面板在构造上允许伸缩；吊车梁与柱的连接处宜采用长圆孔（适用于纵向）。

注释：长圆孔连接时利用其可伸缩性，但鉴于现今的施工人员的技术理解能力及施工水平，实际上并不一定能真正实现设计者的这种假定。所以建议采用此种

方式时需慎重，并需标注清楚。

一般情况下建议采用第1种。

门式刚架轻型房屋钢结构的支撑设置应符合下列规定：

1、在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

注释：独立存在的体系应具有单独的稳定体系。所谓空间稳定不仅仅要考虑X向Y 向、Z向稳定，也要考虑空间体的角压缩或拉伸方向的稳定。

2、在设置柱间支撑的开间，宜同时设置屋面横向支撑，以组成几何不变体系。

注释：仅仅设置柱间支撑是无法实现整个体系的稳定的，需要和屋面横向支撑一起来组成整个稳定体系。

支撑和刚性系杆的布置宜符合下列规定：

1、屋盖横向支撑宜设在温度区间端部的第一个或第二个开间。当端部支撑设在第二个开间时，在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。

注释：屋面支撑系杆设置位置一般设置在柱顶、屋脊、抗风柱连接处。当支撑是设置在第二开间时，应有可靠的传力构件把端刚架的水平力传递至第二开间的

支撑系统，因此需根据各个受力点设置刚性传力构件。

2、柱间支撑的间距应根据房屋纵向柱距、受力情况和安装条件确定。当无吊车时宜取30~45m；当有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m。

注释：当有吊车时，一般在区段中部（区段较短）或三分点处（区段较长）设置支撑，此时应以吊车因素为第一考虑因素。当区段靠4榀支撑无法满足时，也

可按次序依次增加数目；当区段非常短时，也可考虑仅在端头设置支撑。应

根据实际情况酌情考虑。从某种意义上来说，此条也可以理解为无吊车时，

考虑支撑的布置是从一端到另一端；有吊车时，是从中间向两端考虑。

3、当建筑物宽度大于60m时，在内柱宜适当增加柱间支撑。

注释：中柱支撑实际上并不是每榀都需设置的，此时对于整体结构稳定体系来说，仍是成立的，当总跨度较长时应适当在中柱位置增加支撑的布置。但是我们

在考虑整体稳定性能的同时也不能忽略掉支撑系统的传力性能，因考虑到一

般在山墙位置中柱也受到水平风荷载，产生纵向水平力，所以设计时，应尽

量在所有中柱位置均设置支撑。

4、当房屋高度相对于柱间距较大时，柱间支撑宜分层设置。

注释：柱高远大于柱距时，如果仅设置单层支撑，可能其角度超出规范要求，这种状态下的支撑承载能力满足不了计算假定要求，所以遇此情况尽量分层设置

支撑。

5、在刚架转折处（单跨房屋边柱柱顶和屋脊，以及多跨房屋某些中间柱柱顶和屋脊）应沿房屋全长设置刚性系杆。

注释：屋架转折处即为柱顶、屋脊位置，这些位置的支撑需沿全长设置，这样可将整个体系的纵向受力有效的分担给所有的支撑构件。

6、由支撑斜杆等组成的水平桁架，其直腹杆宜按刚性系杆考虑。

注释：一般情况下的支撑力的传递都是由弦杆和斜腹杆（也可能是柔性杆）直接传递，如果出现柱距较大，柱高较低的情况，则可能出现桁架式支撑，此时可

能出现直腹杆，那么此条要求直腹杆需为刚性压杆，否则无法正常传递受力，

并可能出现弦杆（一般按轴压杆考虑）受弯的情况。

7、在设有带驾驶室且起重量大于15吨桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。当桥式吊车起重量较大时，尚应采取措施增加吊车梁的侧向刚度。

注释：吊车一般设置在柱中间位置，计算柱撑时，一般假定为下层支撑承受吊车力，但实际情况为吊车力也有可能部分向上传递，因此在屋盖边缘设置纵向屋面

支撑，与横向支撑及刚架面内刚度共同作用，可防止屋盖结构受此力的影响。

大吨位吊车吊车梁截面较高，增加其侧向刚度有利于整个吊车梁系统稳定，

一般指吊车梁制动系统、辅助系统及支撑系统。

刚性系杆可由檩条兼做，此时檩条应满足对压弯杆件的刚度和承载力要求。当不满足时，可在刚架斜梁间设置钢管、H型钢或其他截面的杆件。

注释：檩条代系杆时，檩条需按压弯杆件设置。有时采用双檩条或其他截面形式的檩条，采用檩条代系杆，需有理论计算为依据，不可随意替代。一般建议设

置单独的刚性系杆，这样传力系统相互独立，且传力路径简单明确。

门式刚架轻型房屋钢结构的支撑，可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。圆钢与构件的夹角应在30°~60°范围内，宜接近45°。

注释：夹角超限时，实际作用效果与计算假定相差较大。

当设有起重量不小于5吨的桥式吊车时，柱间宜采用型钢支撑。在温度区段端部吊车梁以下不宜设置柱间刚性支撑。

注释：此构造要求可有效保证吊车纵向力由多个柱间支撑共同承担，而不会出现瞬时纵向力仅由一个支撑承受的情况，有利于结构安全。但计算时，需根据实

际的下层支撑数目来计算，不可以与总数目相混淆。

当不允许设置交叉柱间支撑时，可设置其他形式的支撑；当不允许设置任何支撑时，可设置纵向刚架。

注释：其他形式一般有门式、桁架式等，多见于厂内设备占用支撑位置或过道（门）位置与支撑冲突时。设置纵向刚架即为形成框架，利用梁柱刚接节点域达到

稳定要求。一般结构设计时尽量要求简洁明确，尽量少用多种形式混合。所

以在门式平面结构中，尽量不要出现纵向梁柱刚接的框架结构，除非没有其

他方法可实现时。

支撑系统的计算

轻型门刚系统中的交叉支撑和柔性系杆（用的比较少）可按拉杆设计，非交叉支撑（桁架式、门式）中的受压杆件和刚性系杆按压杆设计。

屋面支撑的内力，根据纵向风荷载来计算（水平桁架受力）；对于交叉支撑可不计压杆的受力。

柱间支撑的内力，根据屋面支撑传递的反力及柱所受风荷载反力来计算（悬臂桁架）。有吊车时，要计入吊车纵向水平力。柱间支撑最后将反力传递至基础。

支撑计算，可根据支撑道数平均分配至各支撑后计算。

注：计算支撑时，按有效截面来计算（螺纹部分），当圆钢直径较大时，要考虑腹板连接部分的加强（超过25的时候），即采用有效方法使局部集中力有效传递至整个柱截面。圆钢支撑时，需张紧，防止其在自重状态下下挠。（工程验收时，需要观察的方面）

主刚架的设计

设计方法：承载能力极限状态和正常使用极限状态

承载能力：强度、整体稳定、局部稳定。（计算时按设计值计算）

正常使用：位移、挠度。（计算时按标准值计算）

刚架设计主要依靠软件来完成，需要注意的几个小方面：1、屋面坡度变化率的限值；2、楔形构件的截面高度变化率；3、构件截面的自身构造要求；4、梁分段点的选择；5、不同功能构件的挠度或位移的限值要求的不同；6、构件计算长度的取值；7、构件单元的释放；

8、柱计算长度系数的计算方法（有、无侧移）；9、吊车荷载的输入；10、地震效应参数的输入；12、荷载分项系数及组合的选用；13、荷载的正确取值等。

以PKPM和3D3S软件为例，说明刚架的设计过程

单榀-柱高6m-跨度24m-坡度10%

PKPM

这里均可按软件要求的参数信息输入。主要注意的梁分段：一般情况下根据弯矩最小点设置为分段点，在未开始计算时，一般根据经验判断大致在3:4:3的位置为弯矩最小点。但这里需要注意，柱顶处楔形梁有截面高度变化率的限制，所以为了最终的计算结果的经济性指标，可以适当加大第一段的分段长度。

荷载：一般单层板恒载按0.25，双层板按0.30考虑；

活载，当受荷投影面积大于60平米是，活载可取为0.3，其余情况取为0.5。

雪载，根据荷载规范中的要求取值，雪载和活载不同时作用，取二者较大值。这里需要注意的是，荷载规范给出的是基本雪压，其与雪荷载是有区别的，

不可直接将雪压值代如雪荷载值。

风载，可根据门刚中的规定取值，也可根据荷载规范取值，具体的风荷载算法可对比轻钢规范和荷载规范，进一步的理解其取值及计算方法的特点，并理

解其计算思路。

受荷宽度：指两榀刚架间距，用于计算荷载作用于刚架上的线荷载。

面外计算长度：一般指面外支承点的间距，在轻钢中一般根据隅撑布置间距，同时配合刚性系杆等的布置，取为面外计算长度。注意：仅檩条作用是不能达到面

外支承点的作用的，要靠檩条和隅撑共同作用才可以。注意：中柱或者无

面板围护的柱子一般不设置墙梁结构，此刻这类柱子应与边柱区分出来，

其面外计算长度需按柱实际面外支承点长度来设置，一般为柱脚至系杆的

距离（柱自身长度）。

3D3S

注意：分段比，左梁与右梁均按从左到右分段，不要直接复制，以免出现错误。其他同PKPM。

荷载信息同PKPM，但其面外计算长度需在其他菜单中输入，且受荷宽度等也是。

注意中间区与边缘区的区分，主要体现在风载计算时取的风荷载体型系数的不同，边缘区要大很多。计算时，边缘区在整个结构中占的范围较小，所以一般按中间区计算。

并且，一般山墙跨受的荷载范围仅为中间跨的一半，但实际设计时，其截面等均与中间区相同（主要是为了方便，当然也可以设计成两种刚架截面），所以在这种情况下，即便风荷载体形系数变大，一般也不影响刚架的安全性，所以很多时候不再单独计算山墙跨的刚架。（如果有需要的时候，还是要计算的）

建模完成后，其他设置均按软件菜单流程操作

针对PKPM，柱布置主要是设置柱截面及截面类型；梁布置设置各段梁的截面及截面类型；计算长度，这里主要为面外计算长度的输入，当设置隅撑时，按隅撑间距来输入，当无隅撑时，按刚性系杆和支撑的布置来定义面外长度（一般钢梁设置为3000，为两个檩条间距设置一道隅撑；钢柱设置为4000，主要考虑由窗门等存在时，墙梁间距可能会加大），面内计算长度主要依靠软件自行计算，一般门刚按有侧移结构计算；铰接构件主要用于定义柱脚形式为铰接还是刚接；恒载、活载主要是校正建模时输入的荷载是否准确，有误差的需

要在此修正为正确值；左风右风一般均为软件根据规范计算得出，当无法得出时，用户需自行根据规范的体形系数、高度系数等计算并输入模型中；吊车荷载，根据吊车台数，轮压等求出影响线，并计算反力传递至刚架，这里需要注意的是吊车梁的重量需要用户自行以集中力的方式添加至刚架上，或者将吊车反力按一定比例放大后施加。

针对3D3S，构件单元荷载可在显示查询中查看。

这里可以定义构件截面、材性，构件方位（放置方式）。可以定义构件计算长度，设置支座形式等。

荷载编辑，可以修改刚架荷载（恒载、活载、风载），另可在此输入吊车荷载、地震荷

载、稳定荷载。并可设置荷载组合。

上述设置完成后，进入参数输入阶段

针对PKPM

用户根据实际情况选择结构类型，选择按哪本规范执行，及设计控制参数（按规范要求设置）。

选择构件材质，这里需要指出的是一般情况如果结构属于应力控制状态（强度、稳定控制），则选择为Q345材质；如果处于挠度、变形控制状态（梁挠度、柱顶位移控制），则选择为Q235材质。

对比两种材质，其价格Q345略高，约300元/吨，对整体造价影响不大。Q235较Q345强度低，但其自身构造控制要求较松，所以可以把截面做高，做宽（相对比345而言），更利于控制构件变形。所以可以得出在强度稳定起控制作用的时候尽量选择Q345钢，在变形控制时尽量选择Q235钢。

自重放大系数，因软件计算时，自行计算自重并加入恒载中，此时并没有计算节点等重量，仅仅计算了构件重量，所以此处有自重放大系数，一般取为1.2也较合理。

门刚一般均为有侧移结构。

净截面与毛截面比值，一般当截面无开孔等措施时，此处可以输入为1。

有地震作用时，按规范输入各项参数。

按实际情况及规范要求，输入分项系数值及组合系数值。

活载计算时，有的时候需要考虑其不利布置，一般为在楼层活载时，按不利布置考虑，以获得最大应力状态。但轻钢结构活载主要出现在屋面，且一般均为满布荷载，不会出现像楼面一样的人员荷载不利分布或者设备荷载不利分布等情况。所以此处可以不考虑不利布置。

以上均设置完毕后，可以进行结构计算，并查看计算后构件强度、稳定、变形等相对应的结果是否满足要求，同时也需查看构件自身构造要求是否满足。（超限信息查询）针对3D3S

按前文方法，均设置完成后，进行内力分析

求解出构件内力、变形及支座反力等。之后选择适用规范（轻钢规范或其他）并设置验算参数

这里需要注意的是，当柱脚铰接时采用查表法取计算长度，刚接时取用一阶分析法。之后进行设计验算。