轻型钢结构门式刚架的结构设计与优化设计

摘要：目前国内应用最广泛的轻型钢结构既是门式刚架，它具有施工周期短、造价低、后期维护费用低以及供货责任单一等优点，在工业建筑市场占有非常重要的地位，因此做好门式刚架的结构设计与优化设计对广大钢结构设计人员非常重要，本文对门式刚架轻钢结构设计中有关结构优化设计工作几个着手点进行了探讨。

关键词：轻型钢结构；结构优化设计；造价低

Abstract: at present, the domestic the most widely used of light steel structure is not only the door frame, it has the construction period is short, low cost, low cost and later period maintenance supply responsibility such advantages as a single, in industrial construction market occupied a very important position, so do the door frame of the structural design and optimization design of the steel structure design personnel is very important, this paper steel portal frame structure design of the light steel structure optimization design work on several points are discussed.

Keywords: light steel structure; The structure optimization design; Low cost

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

现在越来越多的轻型钢结构门式刚架被用在工业厂房、公路（铁路）库、仓库、飞机库、集贸市场、现代农业建筑、现代牧野建筑、体育场馆、展厅、航空港、商业建筑中，这种广泛的应用必将要求结构设计工作者具有扎实的专业功底、丰富的工程经验，能根据具体的工程实际情况，对轻钢厂房进行结构设计优化，达到结构设计的最小用钢量。本文结合多年的设计经验和有关资料，分析了不同跨度、不同柱距、不同檐口高度、不同材料等级、不同荷载及有无吊车、吊车吨位大小等因素的变化对用钢量的影响，对轻钢厂房结构中哪些途径达到对结构设计的优化。

1轻钢厂房优化设计中合理跨度的确定

在轻钢厂房中跨度的合理选择将直接影响厂房的用钢量。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的跨度，因此应根据厂房的使用功能和生产工艺条件来确定较为合理的经济跨度。一般情况下，当柱高及荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加并不明显，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口高度为6米、柱距为7.5米、荷载情况完全一直的情况下（恒荷载为0.5KN/m2，基本风压为0.4 KN/m2，无吊车荷载）跨度在18~48米之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为18~35kg/m2，当檐口高度为12m时（其他情况一样），跨度在18~48米之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为25~40kg/m2，当檐口高度超过18m时，宜采用多跨刚架，其用钢量较单跨刚架节约16.7%左右，因此，设计者应根据具体要求在方案设计时选择较为经济的跨度。

2轻钢厂房优化设计中合理柱距的确定

在轻钢厂房中柱距的选择是否合理将直接影响厂房的用钢量。刚架的间距跟刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，当刚架跨度、屋面荷载、檐口高度、无吊车荷载、钢材标号等情况相同的情况下，随着柱距的增加，刚架用钢量比例呈逐渐下降趋势，但当柱距增加到一定数值后刚架用钢量随柱距的增加而下降的幅度较为平缓，而檩条、墙梁、柱间支撑等构件随柱距的增大而增加，就房屋总用钢量而言，随柱距的增大先下降而后上升。一般情况下，门式刚架常用柱距建议取7~8m。当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取7.5~8m；当吊车吨位较大时，柱距可取7~7.5m。笔者经过对多年工作的总结得出一个大致的结论，在通常情况下，柱距取7.5m左右较为经济，小于7m或者超过9m，结构总用钢量会明显增加。另外还应在结构设计中考虑设计的标准化、定型化、品种规格化等因素的影响。

3轻钢厂房优化设计中科学的力学模型的确定

门式刚架形式多种多样，钢柱可以是实腹式，可以是组合实腹式，也可以是格构式。梁柱刚接节点中中和轴的选取对高强螺栓直径以及端板厚度都有很大的影响。柱脚的连接形式一般多位铰接，多跨中柱可做成摇摆柱，柱子与基础做成铰接形式。但当柱子较高或有较大吨位吊车时，为控制柱顶及牛腿顶面水平，一般可将柱与基础做成刚接形式。门式刚架梁柱一般采用实腹式变截面，除腹板高度变化外，厚度也可以有变化；上下翼缘宽度及截面也可根据情况变化；相邻单元的梁翼缘也可以做成不同截面。因此影响整个刚架用钢量的因素有上下翼缘的宽度和厚度，腹板的高度和厚度，而且这些因素相互影响，相互制约。柱通常为楔形截面，其最大截面高度与最小截面高度之比为2~3为宜。构件的平面外稳定可通过设置隅撑来保证，可有效减小梁柱截面面积，以达到减少轻钢厂房总用钢量的目的。

4轻钢厂房优化设计中荷载的合理的确定

轻型钢结构设计过程中首先应明确的是厂房所承受的各种荷载效应。荷载的大小对构件的截面的选取有直接的影响，而且更关乎着结构安全性能，因此，设计工作开始前应广泛收集资料，并根据当前规范合理确定房屋的各种荷载是非常必要的。一般来说，房屋所承受的荷载主要有：恒荷载、活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载及积灰荷载。对于吊车荷载，应根据具体情况考虑多台吊车荷载折减系数，吊车工作制以及吊车的技术参数，都对门式刚架的强度、稳定性以及变形都有很大的影响。轻型门式刚架结构设计应对各类荷载以及各自折减系数考虑周全，既要保证厂房结构的安全可靠性，也要最大限度地降低厂房的总体用钢量。

5轻钢厂房优化设计中钢材类型的合理的确定

在结构设计时，主刚架宜采用Q345-B钢材，吊车梁宜采用Q345-C钢材，材质应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）要求。当结构构件的截面面积由其强度控制时，采用Q235钢所需的截面为采用Q235钢的1.47倍，而Q345钢材价格略微高于Q235钢材，综合考虑采用Q345钢材较省。当构件的截面尺寸由变形(即构件刚度)和稳定性控制时，材料强度的影响就不十分明显了，因为构件的刚度和稳定与材料强度无关。因此，构件材料的合理选择应根据实际情况，综合分析比较确定。

6轻钢厂房优化设计中其他方面

轻钢厂房中的次要构件主要包括厂房的柱间支撑、屋面水平支撑、山墙抗风柱、隅撑、天沟板、屋面及墙面檩条等构件。这部分用钢量约占总用钢量的25%~30%。因此，正确的构件设计及构造对保证整个的结构安全、节省材料、控制工程造价具有非常重要的意义。在无吊车的轻钢房屋中，柱间支撑的上柱支撑，可以优先采用柔性支撑，下柱支撑可以考虑采用型钢支撑。屋面支撑宜优先考虑设置柔性支撑。门式刚架轻型房屋结构屋面、墙面檩条一般采用冷弯薄壁C型钢或Z型钢，宜优先采用Q345镀锌冷弯薄壁型钢，但从合理的群面造型考虑，檩条截面高度也不宜过高，一般以不大于280mm为宜，因冷弯薄壁型钢易于加工和维护以及节省钢材的目的，应优先选用冷弯薄壁型钢，尽量不采用实腹式型钢如工字钢，避免采用格构式檩条。

7结论

在轻钢房屋结构设计过程中用钢量的控制非常重要，通过以上叙述，可以的出如下几点结论：

1） 在满足工艺专业及甲方对厂房布置的要求的前提下，一般轻钢厂房的柱距应优先考虑7.5m为宜。

2） 在满足工艺专业、甲方及场地条件的要求的前提下，一般轻钢厂房的经济跨度在18~36m，吊车吨位较大时，经济跨度在24~36m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18~24m。

3） 在满足厂房正常使用的前提下，应尽量降低厂房的檐口高度。

4） 在厂房的结构设计过程中，应将各种荷载及其折减系数考虑周全。

5） 屋面檩条及墙梁尽量采用冷弯薄壁C型钢。

6） 在满足焊接工艺及其他条件的前提下，且构件设计由强度控制时，尽量采用低合金高强度钢材。

7） 在满足工艺布置的前提下，尽量减少变形缝的设置。

8） 在可能的条件下，尽量采用铰接平板柱脚。

【参考文献】

【1】 CECS102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]

【2】 GB50018-2002 冷弯薄壁型钢技术规程[S]

【3】 GB50017-2003 钢结构设计规范

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。