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摘要：随着轻型门式刚架房屋结构引人并在我国的多年利用，轻钢结构在我国已经进人繁荣发展的时代。然而这种轻型结构现在大多由钢结构制作加工单位代为设计。因而在实际工程中，许多工程技术人员无论什么厂房、什么外部条件大都以经验去做，使得这种结构在实际工程中存在一些问题。就门式刚架在工作实际中经常遇到的一些问题进行探讨，以供结构同行参考。
关键词：抗风柱；连接；柱脚计算；长度参数
引言
随着当前建筑行业的飞速发展，钢结构越来越多的应用于建筑之中，在钢结构之中，门式刚架轻钢结构表现尤为出色。在日常的工程设计中，经常会遇到关于门式刚架轻钢结构的工程项目，作者通过对多次此类项目的设计，总结了一些经验，得出几点认识：抗风柱是山墙处的主要构件，其作用在于抵抗山墙的水平风荷载。抗风柱柱顶与柱脚采用什么样的连接方式，都会影响到屋面梁、抗风柱基础的受力及设计。
1、抗风柱与屋面梁的连接形式
抗风柱与屋面梁的连接形式分为铰接和弹簧垫板连接。
采用铰接连接。是指将抗风柱上端与屋面梁做成铰节点即摆柱形式，现在采用的并不多。
采用弹簧垫板连接。抗风柱与刚架粱的连接形式建议采用弹簧板连接。在抗风柱的顶端设置弹簧板与刚架梁下翼缘相连。弹簧板由一块钢板折叠而成，竖向刚度很弱，上部的刚架梁可以自由变形，节点不传递竖向力。水平方向弹簧板不容易发生变形，刚度很大，能够保证水平荷载的传递。而抗风柱不传递屋面荷载。屋面水平支撑、系杆和屋面梁组成水平桁架抵挡这个推力，这样风荷载就很明确的传递到屋面，另一部分传递到基础，靠基础与柱底摩擦或抗剪键来承担，抗风柱计算时仅考虑水平风荷载的作用，受力清楚，便于计算。抗风柱柱顶与屋面梁底的距离即弹簧垫片竖向高度的确定，则要考虑屋面梁的挠度，使弹簧垫片的竖向高度务必要大于屋面梁的挠度值，这样才能保证模型的真实性。
2、抗风柱的柱脚连接形式
门式刚架通常采用铰接柱脚，有特殊要求时也可采用刚接柱脚。从整体受力来看，当整体结构形成时，铰接柱脚完全可以支撑刚架，形成稳定结构，但是铰接柱脚的安全隐患主要存在于施工阶段，即开始分段吊装刚架时，该段刚架没有其他刚架的整体约束，此时如柱脚的螺栓过少，很容易出现施工阶段刚架倒塌，故笔者建议，尽管铰接柱脚的锚栓理论上可以仅用2个，但是实际最好不要少于 4个锚栓，以保证施工阶段安全。
钢柱的柱脚连接分为刚接和铰接两种形式。而对门式刚架轻钢结构的抗风柱来说，柱脚节点形式的不同，计算抗风柱的基础是不同的。当采用铰接时，抗风柱基础只承受较小的轴力和水平剪力，无柱底弯矩，设计和构造较简单，施工方便。抗风柱传递给基础的轴力只有抗风柱本身的重量和相邻轻质墙面的重量。抗风柱柱脚剪力由山墙水平风荷载产生。抗风柱基础的偏心距很小（均小于L/6），计算基础时，基础底面的压力满足地基承载力要求即呵。采用刚接时，传递给基础的不仅有轴力和水平剪力，还有柱底弯矩，此弯矩值跟轴力值相比较大，产生的偏心距较大，为抵抗弯矩，抗风柱基础面积就需要很大。以某一具体工程为例进行对比，抗风柱高10m，自重10KN，风荷载0.35KN/平米，基础的埋深为室外地坪下1.5m，地基承载力设计值为150kPa。抗风柱所承担的墙面部分的恒载设计值为30KN。基础地面上部土体和混凝土的平均重度取为20KN/立方，基础为正方形的独立基础。
（1）、采用铰接基础。
基础的面积需要0.9m×0.9m。抗风柱的剪力传递给基础顶面而在基础底面产生的弯矩为8KN*m，偏心距只有0.13m。基础底面平均压力：Pk=Fk+Gk/A （2）、采用刚接基础。
采用刚接柱脚，则会造成柱的内力分布发生变化，底部存在很大的由风荷载产生的抵抗弯矩。柱脚的弯矩传递给基础，造成基础承受很大的偏心距e（e=Mk/Fk+Gk），且为满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）基础底面无零应力区的要求，基础平面尺寸为1.5m×1.5m，可以保证基础底面不与地基脱离，同时满足承载力的要求。从以上分析可以看出，抗风柱与基础之间采用刚接节点会造成的问题是：增加了基础边缘的压力，会在另一侧造成基础与地基的脱开。对地基的设计要求更高，这些问题只有通过增加基础上部的竖向荷载或者增加基础面积才能解决。由于风荷载是一个长期反复作用的水平荷载，基础与地基脱离会造成地面和窗下墙体开裂。而采用铰接节点则可以很好地解决上述问题。
3、抗风柱的平面外计算长度
当山墙比较矮时，抗风柱不加系杆和及支撑，计算也很容易满足。当山墙比较高时，若抗风柱不加系杆和支撑，抗风柱的平面外计算长度为抗风柱的实际高度，计算出的抗风柱截面就会很大。为节省钢材用量，在抗风柱高度方向设置系杆和支撑，从而减小抗风柱的平面外计算长度，计算出的截面会小很多。抗风柱的平面内计算长度一般不用修改，在计算时，PKPM软件会根据抗风柱长度、高厚比、宽厚比等因素自动确定抗风柱的平面内计算长度系数，导出计算结果。
4、抗风柱计算中参数的选择
在设计过程中，一般采用PKPM中STS工具箱计算抗风柱。在风载信息中，调整后的基本风压Wo：当地风荷载值x1.05；风压力体形系数1取“1”；风吸力体形系数tx1取“一1”；风压高度变化系数z取《建筑结构荷载规范》中抗风柱高度所对应的风压高度变化系数；净截面系数取“0.95”。其他参数可根据抗风柱的实际情况进行设置。 5、材料选择
5.1、钢材选用
当计算所需梁柱截面由强度控制时，可优先选用较高强度等级的钢材。但当结构由变形或稳定控制时，则应优先选用较低强度等级的钢材。《规程》规定，门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙粱等构件宜采用Q235一B或Q345一A及以上等级的钢。实际上，当Q235附加冷弯试验合格的保证及核算碳当量满足要求后，可以用于不承受低温环境和动荷载较大的结构。
5.2、焊接材料选用
一般只需根据母材的种类选择与其匹配的相同等级焊条或焊丝、焊剂即可，无需给出具体的牌号。但直接承受动力荷载的焊接连接或重要的厚板焊接宜选用低氢型焊条，如E4315、E4316、E5015、E5016等。
5.3、螺栓选用
对于钢结构主材的连接，一般采用高强度螺栓（8.8级或10.9级）。应该注意，设计中仅指定螺栓的性能等级和连接材料的摩擦系数即可。承压型或摩擦型只是抗剪连接的两种形式，大六角头或扭剪型高强度螺栓都可以用于这两种连接，不能混淆两个概念。
6、柱间支撑的布置
柱间支撑与屋面支撑应布置在同一柱间，使刚架纵向形成稳定体系，便于刚架安装且增加纵向刚度。支撑应布置在第一柱问或第二柱间，当布置在第二柱间时第一柱间相应布置刚性系杆，且刚性系杆与抗风柱沿纵向位置一致，使风荷载直接传递。在刚架转折处弹跨房屋边柱柱顶及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。当门式刚架的跨度较大时，在布置支撑的柱问，应适当增加刚性系杆数量，使支撑夹角在45。左右。当受建筑功能限制无法布置柱间支撑时，应布置纵向刚架。
7、结论
门式刚架轻型结构因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被广泛运用。在设计门式轻型刚架结构的抗风柱时，可以注意一下几点：（1）抗风柱顶部与屋面梁采用弹簧垫板连接，使受力更明确，以保证屋面的变形协调，确保计算模型的正确性；（2）抗风柱与基础采用铰接连接，可减小基础面积，（3）如需改变抗风柱平面外计算长度，需相应增加系杆和支撑；（4）抗风柱计算参数应根据实际情况进行设置。
参考文献：
[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（2012年版）.
[2]《建筑结构荷载规范》GB50009—2012.
[3]《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011.
[4]《钢结构设计规范》GB50017—2003.
关键词：抗风柱；连接；柱脚计算；长度参数
引言
随着当前建筑行业的飞速发展，钢结构越来越多的应用于建筑之中，在钢结构之中，门式刚架轻钢结构表现尤为出色。在日常的工程设计中，经常会遇到关于门式刚架轻钢结构的工程项目，作者通过对多次此类项目的设计，总结了一些经验，得出几点认识：抗风柱是山墙处的主要构件，其作用在于抵抗山墙的水平风荷载。抗风柱柱顶与柱脚采用什么样的连接方式，都会影响到屋面梁、抗风柱基础的受力及设计。
1、抗风柱与屋面梁的连接形式
抗风柱与屋面梁的连接形式分为铰接和弹簧垫板连接。
采用铰接连接。是指将抗风柱上端与屋面梁做成铰节点即摆柱形式，现在采用的并不多。
采用弹簧垫板连接。抗风柱与刚架粱的连接形式建议采用弹簧板连接。在抗风柱的顶端设置弹簧板与刚架梁下翼缘相连。弹簧板由一块钢板折叠而成，竖向刚度很弱，上部的刚架梁可以自由变形，节点不传递竖向力。水平方向弹簧板不容易发生变形，刚度很大，能够保证水平荷载的传递。而抗风柱不传递屋面荷载。屋面水平支撑、系杆和屋面梁组成水平桁架抵挡这个推力，这样风荷载就很明确的传递到屋面，另一部分传递到基础，靠基础与柱底摩擦或抗剪键来承担，抗风柱计算时仅考虑水平风荷载的作用，受力清楚，便于计算。抗风柱柱顶与屋面梁底的距离即弹簧垫片竖向高度的确定，则要考虑屋面梁的挠度，使弹簧垫片的竖向高度务必要大于屋面梁的挠度值，这样才能保证模型的真实性。
2、抗风柱的柱脚连接形式
门式刚架通常采用铰接柱脚，有特殊要求时也可采用刚接柱脚。从整体受力来看，当整体结构形成时，铰接柱脚完全可以支撑刚架，形成稳定结构，但是铰接柱脚的安全隐患主要存在于施工阶段，即开始分段吊装刚架时，该段刚架没有其他刚架的整体约束，此时如柱脚的螺栓过少，很容易出现施工阶段刚架倒塌，故笔者建议，尽管铰接柱脚的锚栓理论上可以仅用2个，但是实际最好不要少于 4个锚栓，以保证施工阶段安全。
钢柱的柱脚连接分为刚接和铰接两种形式。而对门式刚架轻钢结构的抗风柱来说，柱脚节点形式的不同，计算抗风柱的基础是不同的。当采用铰接时，抗风柱基础只承受较小的轴力和水平剪力，无柱底弯矩，设计和构造较简单，施工方便。抗风柱传递给基础的轴力只有抗风柱本身的重量和相邻轻质墙面的重量。抗风柱柱脚剪力由山墙水平风荷载产生。抗风柱基础的偏心距很小（均小于L/6），计算基础时，基础底面的压力满足地基承载力要求即呵。采用刚接时，传递给基础的不仅有轴力和水平剪力，还有柱底弯矩，此弯矩值跟轴力值相比较大，产生的偏心距较大，为抵抗弯矩，抗风柱基础面积就需要很大。以某一具体工程为例进行对比，抗风柱高10m，自重10KN，风荷载0.35KN/平米，基础的埋深为室外地坪下1.5m，地基承载力设计值为150kPa。抗风柱所承担的墙面部分的恒载设计值为30KN。基础地面上部土体和混凝土的平均重度取为20KN/立方，基础为正方形的独立基础。
（1）、采用铰接基础。
基础的面积需要0.9m×0.9m。抗风柱的剪力传递给基础顶面而在基础底面产生的弯矩为8KN*m，偏心距只有0.13m。基础底面平均压力：Pk=Fk+Gk/A
采用刚接柱脚，则会造成柱的内力分布发生变化，底部存在很大的由风荷载产生的抵抗弯矩。柱脚的弯矩传递给基础，造成基础承受很大的偏心距e（e=Mk/Fk+Gk），且为满足《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）基础底面无零应力区的要求，基础平面尺寸为1.5m×1.5m，可以保证基础底面不与地基脱离，同时满足承载力的要求。从以上分析可以看出，抗风柱与基础之间采用刚接节点会造成的问题是：增加了基础边缘的压力，会在另一侧造成基础与地基的脱开。对地基的设计要求更高，这些问题只有通过增加基础上部的竖向荷载或者增加基础面积才能解决。由于风荷载是一个长期反复作用的水平荷载，基础与地基脱离会造成地面和窗下墙体开裂。而采用铰接节点则可以很好地解决上述问题。
3、抗风柱的平面外计算长度
当山墙比较矮时，抗风柱不加系杆和及支撑，计算也很容易满足。当山墙比较高时，若抗风柱不加系杆和支撑，抗风柱的平面外计算长度为抗风柱的实际高度，计算出的抗风柱截面就会很大。为节省钢材用量，在抗风柱高度方向设置系杆和支撑，从而减小抗风柱的平面外计算长度，计算出的截面会小很多。抗风柱的平面内计算长度一般不用修改，在计算时，PKPM软件会根据抗风柱长度、高厚比、宽厚比等因素自动确定抗风柱的平面内计算长度系数，导出计算结果。
4、抗风柱计算中参数的选择
在设计过程中，一般采用PKPM中STS工具箱计算抗风柱。在风载信息中，调整后的基本风压Wo：当地风荷载值x1.05；风压力体形系数1取“1”；风吸力体形系数tx1取“一1”；风压高度变化系数z取《建筑结构荷载规范》中抗风柱高度所对应的风压高度变化系数；净截面系数取“0.95”。其他参数可根据抗风柱的实际情况进行设置。 5、材料选择
5.1、钢材选用
当计算所需梁柱截面由强度控制时，可优先选用较高强度等级的钢材。但当结构由变形或稳定控制时，则应优先选用较低强度等级的钢材。《规程》规定，门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙粱等构件宜采用Q235一B或Q345一A及以上等级的钢。实际上，当Q235附加冷弯试验合格的保证及核算碳当量满足要求后，可以用于不承受低温环境和动荷载较大的结构。
5.2、焊接材料选用
一般只需根据母材的种类选择与其匹配的相同等级焊条或焊丝、焊剂即可，无需给出具体的牌号。但直接承受动力荷载的焊接连接或重要的厚板焊接宜选用低氢型焊条，如E4315、E4316、E5015、E5016等。
5.3、螺栓选用
对于钢结构主材的连接，一般采用高强度螺栓（8.8级或10.9级）。应该注意，设计中仅指定螺栓的性能等级和连接材料的摩擦系数即可。承压型或摩擦型只是抗剪连接的两种形式，大六角头或扭剪型高强度螺栓都可以用于这两种连接，不能混淆两个概念。
6、柱间支撑的布置
柱间支撑与屋面支撑应布置在同一柱间，使刚架纵向形成稳定体系，便于刚架安装且增加纵向刚度。支撑应布置在第一柱问或第二柱间，当布置在第二柱间时第一柱间相应布置刚性系杆，且刚性系杆与抗风柱沿纵向位置一致，使风荷载直接传递。在刚架转折处弹跨房屋边柱柱顶及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。当门式刚架的跨度较大时，在布置支撑的柱问，应适当增加刚性系杆数量，使支撑夹角在45。左右。当受建筑功能限制无法布置柱间支撑时，应布置纵向刚架。
7、结论
门式刚架轻型结构因其施工速度快、周期短、抗震性能好而被广泛运用。在设计门式轻型刚架结构的抗风柱时，可以注意一下几点：（1）抗风柱顶部与屋面梁采用弹簧垫板连接，使受力更明确，以保证屋面的变形协调，确保计算模型的正确性；（2）抗风柱与基础采用铰接连接，可减小基础面积，（3）如需改变抗风柱平面外计算长度，需相应增加系杆和支撑；（4）抗风柱计算参数应根据实际情况进行设置。
参考文献：
[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：2002（2012年版）.
[2]《建筑结构荷载规范》GB50009—2012.
[3]《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011.
[4]《钢结构设计规范》GB50017—2003.