大跨度工业厂房门式刚架结构的稳定性分析与节点优化

1 门式刚架结构的稳定性影响因素

门式刚架的稳定性需从整体与局部两个维度考量，其影响因素可归纳为几何参数、材料性能、荷载条件及支撑体系四类。

1.1 几何参数

跨度与高宽比：跨度增大导致梁端弯矩与挠度增加，易引发平面内失稳；高宽比过大则降低结构抗侧刚度，加剧平面外变形。

构件截面形式：常用的变截面H 型钢梁通过翼缘厚度与腹板高度调整，可优化弯矩分布，但截面突变处易产生应力集中，需控制坡度与过渡段长度。

刚架坡度：屋面坡度影响竖向荷载的水平分力，坡度越大（通常1/8~1/20），对柱底弯矩与整体稳定性的不利影响越显著。

1.2 材料性能

钢材强度与韧性：低合金高强度钢材（如 Q355）可减轻自重，但需匹配足够的韧性以避免脆性破坏；冷弯薄壁型钢构件需考虑残余应力对稳定承载力的削弱。

截面残余应力：焊接或轧制过程中产生的残余应力改变构件应力分布，降低临界失稳荷载，尤其对轴压构件影响显著。

1.3 荷载条件

荷载类型：恒载（自重、屋面活载）与可变荷载（风荷载、吊车荷载）的组合效应需通过荷载分项系数控制，风荷载的吸力作用可能导致屋面梁上翼缘失稳。

荷载偏心：吊车荷载的横向水平力或屋面不均匀积雪，易引发刚架扭转，需通过支撑系统限制扭转变形。

1.4 支撑体系

纵向支撑：柱间支撑与屋面支撑构成空间受力体系，控制结构纵向位移，常用交叉支撑或刚性系杆，间距不宜超过 60m 。

横向支撑：屋面水平支撑保证刚架平面外稳定，隅撑作为次要支撑，可有效防止梁端翼缘屈曲，间距通常为 3～6m 。

2 稳定性分析方法

门式刚架稳定性分析需结合理论计算与数值模拟，常用方法包括一阶弹性分析、二阶弹性分析及极限承载力分析。

2.1 一阶弹性分析

基于小变形假设，忽略结构变形对内力的影响，适用于跨度较小、刚度较大的刚架。通过结构力学方法计算内力后，按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022）验算构件稳定性：

整体稳定：采用等效弯矩系数法计算梁、柱的平面内稳定，平面外稳定需考虑侧向支撑点间距与构件长细比。

局部稳定：腹板通过设置加劲肋控制高厚比（如腹板高度与厚度比≤250 ），翼缘通过宽厚比（如翼缘宽度与厚度比≤15）避免局部屈曲。

2.2 二阶弹性分析

考虑结构变形对内力的放大效应，适用于大跨度、柔度较大的刚架。通过有限元软件建立三维模型，引入几何非线性方程，计算结构在荷载作用下的平衡路径，判断是否存在分支点失稳（如整体侧移失稳）或极值点失稳（如构件塑性破坏）。

2.3 极限承载力分析

基于塑性理论，考虑材料屈服与几何非线性的耦合效应，通过塑性铰形成机制判断结构承载能力。对于门式刚架，塑性铰通常出现在梁端或柱底，设计中需控制塑性铰区域的截面尺寸，避免因局部失稳提前终止结构延性。

3 节点构造与优化策略研究

3.1 梁柱连接节点构造分析

刚性连接节点：主要采用端板连接方式，通过配置高强度螺栓（包括摩擦型和承压型两种类型）来有效传递弯矩和剪力。在端板厚度设计时，需要同时考虑螺栓拉力和撬力作用的影响，采用合理的计算方法确定。端板形式的选择（平齐式或外伸式）会显著影响螺栓受力的均匀性——其中外伸式端板通过增大力臂可以有效减小螺栓间距，从而显著降低撬力效应，

提高节点受力性能。

半刚性连接节点：这类节点的核心特点是可以通过调节节点转动刚度来优化结构内力分布，特别适用于需要释放部分弯矩的多跨刚架中间支座等场景。常见的构造形式包括采用角钢连接件或 T 型钢连接件，其力学性能需要通过系统的试验研究来获取准确的弯矩-转角关系曲线，为设计提供依据。

3.2 支撑与主体结构连接技术

柱间支撑节点：对于交叉支撑与柱翼缘的连接部位，必须设置专门的节点板进行过渡。节点板厚度设计应不小于 10mm ，且与柱翼缘的连接必须采用全熔透焊接工艺，确保焊缝质量，避免因应力集中导致板件出现撕裂破坏。

隅撑节点：隅撑与梁、柱的连接推荐采用螺栓连接方式，便于施工调整。在隅撑设计时，需要严格控制角钢隅撑的长细比，要求其值不超过 200，这样可以确保隅撑在受压工况下具有足够的稳定性，不会先于主体构件发生失稳破坏。

3.3 节点优化发展方向探讨

构造简化方面：重点推进标准化节点形式的研发和应用，如端板螺栓连接的模数化设计体系。通过减少零件种类和规格，可以显著提高施工效率，降低工程成本。

延性增强方面：采用创新的节点域设计方法，如通过合理削弱节点域腹板（设置减应孔）或科学布置加劲肋等措施，有效引导塑性铰在梁端形成，确保节点不会先于构件发生破坏，提高结构的抗震性能。

防腐蚀设计方面：针对节点部位易积水积尘的特点，需要采取特殊的防护措施。推荐采用热浸镀锌工艺或重防腐涂料体系，对于螺栓连接部位还需要设置专门的防水密封垫，确保连接部位的长期耐久性。

4 设计规范与工程建议

门式刚架结构设计必须严格遵循国家现行规范《钢结构设计标准》（GB50017）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022）的相关规定。在具体设计过程中，需要重点关注以下几个关键环节：

1. 稳定性验算方面：对于变截面构件，应当沿构件长度方向划分若干计算区段，分别计算各段的长细比和临界应力值。在进行平面外稳定计算时，必须充分考虑侧向支撑系统对构件提供的约束刚度影响，确保构件的整体稳定性满足规范要求。

2. 节点连接计算：对于端板连接节点，需要同时验算螺栓群的受拉承载力和受剪承载力，确保连接可靠。节点域腹板的剪切强度验算应满足V≤0.9f _twd_twt_f 的公式要求，其中d_tw 代表节点域腹板的有效高度，t_f为连接翼缘的厚度，这些参数都需要准确取值。

3. 支撑系统布置：纵向支撑的间距设置不得超过 60m ，以保证结构纵向刚度。屋面横向支撑系统必须在每个温度区段的两端各设置一道，通过合理的支撑布置确保整个结构形成几何不变体系，提高结构的整体稳定性和抗侧力性能。

结语：

综上所述，门式刚架结构的稳定性分析需综合考虑几何、材料、荷载与支撑的耦合效应，二阶弹性分析与极限承载力分析是大跨度场景的关键技术手段；节点优化应聚焦传力机制与构造细节，通过刚性节点与支撑系统协同工作，提升结构整体刚度。未来研究可向智能化方向发展：结合BIM技术实现节点参数化设计，利用机器学习预测复杂荷载下的失稳模式，或通过3D 打印技术实现异形节点的一体化制造，进一步推动门式刚架结构的安全化与高效化。

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