小议门式刚架轻型钢结构的优化设计

摘要：笔者根据多年从业经验，对门式刚架轻型钢结构中的设计经行深入探讨。

关键词：门式刚架结构，优化设计，轻钢结构

中图分类号：TU318 文献标识码：A

1 结构形式与跨度对用钢量的影响

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多脊双坡，单脊双坡和单脊单坡。由于多脊双坡常常采用内天沟排水，而内天沟排水的体系因其特点从而具有下列缺点：1)钢耗量增大；2)室内排水系统增多；3)由于屋面节点较多为日后房屋漏水留下较多隐患；从而在刚架形式上，设计工程师常采用外挂彩板天沟，单屋脊的多跨大双坡的形式。在设计中，房屋高度往往由生产条件和使用要求所确定，而房屋的高度对应其合理的跨度。总体来说，在一定的荷载和柱高条件下，由于跨度的适当增加所引起的用钢量增加并不是很明显，但跨度的增大却多出了有效的使用面积，同时也降低了基础的造价。在用钢量最小的求解过程中，不同的柱高对应不同的最优经济跨度。通过特定条件下的计算表明，无吊车轻型门式刚架单位用钢量随着跨度的增加是单调递增的，而有吊车的门式刚架情况较为复杂，总体来说，吊车的起重量与经济跨度密切相关，不同吨位的吊车又对应不同的经济跨度，随着吊车起重量的增加，经济跨度向高处攀升。

2 刚架最优柱距的确定

从综合的角度分析，柱距(模数)的选择对设计的优劣影响极大。归纳起来有以下几点：1)钢用量始终是评价刚架结构方案优劣的有效指标，研究表明，柱距和门式刚架用钢量关系最为密切。2)使用轻质屋面材料和轻型墙体材料，取代传统工艺所常用的钢筋混凝土屋面板和钢筋混凝土围护墙体的做法，可以降低厂房总体造价。3)钢材的供应与费用，标准化程度等指标都与厂房的柱距(模数)有关。刚架的间距与刚架的跨度大小、屋面荷载多少、檩条间距的大小等多种因素有密切关系。正常情况下，间距的增大，檩条和墙梁跨度增大，直接导致其相应用钢量增加，同时支撑的用钢量也增加，但主刚架榀数的减少可以降低总用钢量。工程经验表明，6m～9m是门式刚架的合理柱距，7.5m左右的经济效果最好。刚架的间距如果超过9m，檩条与墙架体系的用钢量将增加，导致整体造价较高。

3 运用合理的数学、力学计算模型

一般情况下，多跨刚架的中柱采用两端铰支的摇摆柱，实际中应控制摇摆柱的数量少于4根。而门式刚架的柱脚与基础常常采用铰接，使用铰接柱脚的轻型门式刚架结构具有以下两方面的优点：1)基础发生的形变时影响不明显，特别是对于单跨轻型门式刚架结构而言，假如无吊车，铰接的柱脚比刚接的柱脚更为有利，当基础发生较小的形变时，导致上部结构产生的次生应力也非常小。2)整体上来讲，基础设计相对比较简单、经济、实惠。根据作者多年的设计经验得出，一般情况下，基础的大小是由零应力控制(使基础地面不出现拉应力)，而不是由最大压应力控制。轻型门式刚架结构，相对而言，由于纵向的压力比较小，所承受弯矩比较大，即对上部刚结构产生了较大的偏心距。从而在使用铰接柱脚情况下分析结构，因为弱化了弯矩的影响，导致基础仅仅受轴力的作用，从而就可把基础设计的相对较小，降低了基础的成本。但经计算表面对于柱高超过12 m的结构采用刚接柱脚比铰接柱脚节省钢材。当柱高超过12 m时，按照强度计算，若采用铰接柱脚时，梁、柱截面的挠度相对而言比较大，尤其在梁、柱都满足强度要求，柱顶位移常常仅有0.033，此时，必须调整截面才能满足所规定的柱顶位移极限值。但当采用刚接时，柱顶位移降低了将近60％。因此，当各项条件适宜时，柱顶较高(一般大于10 m)的轻型门式刚架结构通常采用刚接柱脚，而不采用铰接。

4 最优化截面的选择

门式刚架常常采用实腹式梁和柱，梁柱的截面也随内力变化而变化，往往由其挠度控制截面尺寸，而不是由强度控制。横梁通常为加腋梁，楔形柱的最大截面高度通常取最小截面高度的2倍～3倍。无吊车轻型钢结构房屋，还要注意柱截面和梁截面的协调，通过调整梁柱截面关系可以达到节省钢材的目的。当变形直接影响刚架截面时，可以通过调整梁连接处截面和刚架柱相接处，从而求出最小的用钢量。在用穷竭法解决截面最优化问题时，多变量因素导致了计算次数与构件数目是呈指数关系比例增加的。当设计工程师确定了结构形式后，通常常用办法，最优化截面是根据构件的内力变化来相应调整截面的尺寸大小，经过多次反复测算最终确定最优化的截面大小。这种最优化方法的优点：1)计算量相对较小；2)人工可以干预截面优化范围，进而快速得到最优化的截面大小。腹板主要承受剪力，翼缘用来抵抗弯矩，在无振动荷载下，可以通过运用腹板的屈曲强度来决定构件的强度及稳定性，将构件设计成窄而高的截面，通常跨度取最小截面高度的45倍～60倍，截面的高是其宽的3倍一5倍。通过设计隅撑来确保构件的平面外稳定性问题。并且，为了确保结构具有可靠的整体稳定性，在屋脊和柱顶设计刚性系杆，纵向设计由屋面横向水平支撑及十字交叉圆钢组成的竖向支撑。在具体工程中，在确保檩条的刚度的前提条件下，且当檩条与屋面连接可靠，设计者也常常把型钢檩条同时兼作刚性系杆。

5 围护体系的最优化

围护体系着重指屋面檩条和墙梁体系，通常情况还是支撑体系。檩条的截面形式可分为实腹式和格构式两种。计算表明，檩条跨度不大于9 m时采用实腹式檩条比较经济，当跨度大于9m时，格构式檩条比较经济。实际工程中，则多采用实腹式檩条，在这种情况下，如果选用合理的宽高比，同样可以取得较好的经济

效果。当檩条受到的风荷载比较大且跨度也比较大时，构件的计算主要考虑风吸力，构件的刚度及强度很难得到很好发挥，通过运用加宽翼缘宽度以及降低构件高度等办法，实现在不增加构件截面积尺寸的条件下，达到同时满足构件在风吸力作用下的计算要求。一般情况下，使得檩条在平面外、平面内以及风吸力的作用下的应力比值差别相近时，构件的截面得到充足利用，这个时候的用钢量达到最小。另外采用连续檩条也可以有效降低用钢量，并且跨距越大，节约的钢材越多。计算表明在6m以上的跨度使用连续檩条要比简支檩条节约将近10％的用钢量。

6 梁柱节点的最优化

轻型门式刚架房屋钢结构的梁柱节点通常采用端板相接。端板相接种类分为端板竖放、端板斜放和端板平放三种形式，具体每种放置形式又可细分为外伸和平齐两种设计方法。经过运用力学知识，进行受力分析、计算说明，端板平齐式相接因为连接刚度相对比较小，通常情况下很难满足刚性节点的设计需求，相对而言，端板外伸式节点的受力较合理，且荷载力也较端板平齐式相接高。此外，通过分析计算说明，端板竖放的节点设计内力相对较大，节点相接处的剪力和弯矩也相应较大，从而导致相对应的形变也相对增加，而平放节点的刚度与竖放节点的刚度相差很小，然而设计的轴向压力却大，剪力却较小，这样设计对节点受力有好处，节点处比较牢固，形变也相对微小。就相同梁柱截面的节点处刚度而言，端板斜放式虽然比端板平放和竖放的大，但因为对施工工人的技术要求较高而较少采纳运用。在实际施工过程中，通常多采用端板竖放外伸式和端板平放外伸式节点相接形式，从而达到提升节点的刚度，尽量减少结构发生形变的目的。

7 结语

笔者就门式刚架轻型钢结构的房屋上部结构，在最优化设计中遇到的问题进行一些讨论，而在实际情况中，结构的最优化是一个非常复杂的问题，是涉及多参数及多因素的一个系统工程，需要工程技术人员和科研人员不断探索和总结，不断提升我国轻钢结构应用技术水平。

参考文献：

[1] CECS102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．

[2] GB50017-2003，钢结构设计规范[S]．

[3] 马琳琳．门式刚架轻钢房屋优化设计探讨[J].山西建筑,2004,30(19):41—42．