门式刚架轻型钢结构房屋经济跨度与柱距的选择

摘要： 轻钢结构市场竞争日益激烈，经济合理的用钢量越来越受到关注，而研究表明经济合理的用钢量和柱网的选择有极为密切的关系。本文根据笔者根据自身从事多年钢结构设计的经验结合实际工程，对门式刚架轻型钢结构房屋的经济跨度与柱距选择问题从设计用钢量的角度作了较详细的研究讨论。

关 键 词：门式刚架 跨度 柱距 经济

中图分类号：TV332.13文献标识码：A 文章编号：

Abstract：Light steel structure market competition is increasingly intense, economic and reasonable quantity of steel has been paid more and more attention, but research shows that reasonable amount of steel and column selection has very close relationship. In this paper, according to the author according to own for many years engaged in steel structure design experience combined with practical engineering, the portal frame light steel structure housing the economic span and column selection from the quantity of steel of the design are studied in detail discussed.

Key Words： Portal frame; Span; Column space; Economics

前 言

门式刚架轻型钢结构房屋是指以轻型焊接H形钢（等截面或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁；以压型金属板（压型钢板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。

近二十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家、设计单位也也纷纷转向这类结构的生产和设计。

但是，由于我国目前还没有专门的轻钢设计规范，仅1996年由中国工程建设标准化协会编制了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:98后修订为2002版），对低层轻钢结构建筑做了较为粗糙的规范。许多设计院的工程师对《规程》仍持谨慎态度，在结构设计中对《规程》界定较模糊的条款仍沿用现行的普通《钢结构设计规范》（GB50017-2003）来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下；而另一些钢结构生产厂家的结构工程师没有完全吃透《规程》的适用条件，在没有充分理论依据和实践经验的情况下，一味地追求低用钢量而造成事故。因此，笔者通过一个具体工程的设计实例，做了大量设计方案的计算分析，结合自身设计经验，对门式刚架轻型钢结构经济柱网选择问题做较为系统的研究，和同行们共同探讨。

1计算与分析

结构设计中的柱网的平面布置首先取决于工艺要求，然后在工艺要求允许的前提下选择合理的跨度与柱距。对门式刚架轻型钢结构而言，任何一项设计，其设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标，而设计用钢量和柱距的大小是密切相关的。

传统工业设计中将柱网模数定为3m(常用3m，6m，9m，12m等)，这是因为厂房的实际用钢量及费用还与钢材的供应情况(品种规格)、构件标准化程度等密切相关。有时因材料替代及非标准构件的采用而造成的额外耗钢还相当可观。离开了柱距模数，构件的标准化是无从谈起的。当然，门式刚架轻型钢结构房屋有自己的特点，柱距可以是7m、7.5m、8m等等。跨度的灵活性则更大，设计中可采用新的模数化（定为1.5m）柱网，以追求较低的用钢量指标。

某工厂1#生产车间工程，宽度方向90m；长度方向180m，檐口高度7m。撇开工艺要求不讲，单纯以研究角度设计柱网尺寸。主要考虑跨度：15m*6跨、18m*5跨、22.5m*4跨、30m*3跨、45m*2跨，共5种；及柱距为3m、6m、7.5m、9m、12m、15m、18m，共计7种的情况。对主刚架和次构件做了5*7合计35种组合的分析计算，以及7种柱距情况下的檩条计算。

设计计算时采用以下参数：

屋面恒荷载：0.20kN/m2；

屋面活荷载：0.30kN/ m2 用于验算钢架、0.50kN/ m2 用于验算檩条；

风载：0.60kN/ m2，地面粗糙度为B类，近似取高度变化系数为1.0；

雪荷载: 0.20kN/m2，考虑屋面坡度1:20，α

抗震设防烈度：6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地土。

钢材：梁柱等焊接型钢采用Q345-B钢，冷弯薄壁檩条采用Q345-A钢，次构件采用Q235-B钢。

当柱距小于15m时屋面檩条采用冷弯薄壁型钢；当柱距为18m时屋面檩条采用高频焊接H型钢。当柱距小于12m时墙面不设置构造墙柱；当柱距为15m时，中间7.5m处设置一个构造墙柱；当柱距为18m时，中间9m设置一个构造墙柱，构造墙柱及支撑构造墙柱的檐口桁架的用钢量均计入檩条范筹。

本次结构分析采用中国建科院STS软件辅助计算，各构件最危险截面考虑稳定后最大应力(折算应力)控制在设计值的95%以下，各种跨度条件下，各单项用钢量及总用钢量随柱距的变化情况如图1―图5所示。

图1图2

图3 图4

图5

从以上图中可以看出：

对门式刚架轻型钢结构体系而言，主钢构用钢量是最主要的，当柱距较小时，刚架用钢量甚至占总用钢量的50％以上，而其它檩条和次钢构，其用钢量只占比例较小的一部分，因此，如何设计好门式刚架对降低总用钢量具有重要意义。

随着柱距的增大，作为整个厂房结构“用钢量大户”的刚架，其用钢量比率是逐渐下降的，并且随柱距的增加，下降的幅度逐渐趋于平缓。

檩条与次钢构的用钢量均随柱距的增加而增加，并且增幅越来越大，当柱距增大到某一个值时，其用钢量逐渐占主要地位，并最终超过了刚架的用钢量。

整个单层厂房上部结构，其总用钢量随柱距的增加先是逐渐减少，而后增加。呈“浴盆曲线”，这表明，就用钢量指标而言，对每种跨度条件下的确都存在一个最优柱距。

下面将总用钢量集中统计如表1.所示，并绘制总用钢量曲面图2.，通过这两份图表，我们来更直观的感受一下用钢量随柱距、跨度变化的情况。

跨度/柱距 @3 @6 @7.5 @9 @12 @15 @18

15*6 23.04 16.14 16.28 17.01 19.69 25.34 39.26

18*5 22.22 15.77 15.87 16.69 19.28 25.04 38.65

22.5*4 23.02 17.02 16.79 17.47 20.17 25.76 38.32

30*3 26.27 18.74 18.53 19.52 21.82 27.52 39.82

45*2 34.59 25.30 25.48 25.76 27.15 31.94 43.60

表1 总用钢量表单位（kg/m2）

图2

从图2中可以看出：

相同柱距条件下总用钢量也随跨度的增加先是逐渐减少，而后增加，曲线两端较陡，中间的部分较平缓。

整个图形呈现“浴盆曲面”，最小用钢量出现在18m*5跨@6米柱距。多个条件下的总用钢量都近似。

总用钢量在15～20kg/m2的区域集中在跨度15～30m，柱距6～9m的情况。选择这些柱网是比较经济的。

当然，由于不同人员在设计同一结构时时，各设计方案可能在结构体系，围护布置等选择上有所差别，从而各用钢量指标不尽相同，但其用钢量变化趋势及上述结论是一致的。

3结论

综合各项用钢量表明，对此特定的厂房而言，其设计用钢量确定的最优柱距在6~9m。本例的最低用钢量是出现在18m跨度时，这是因为本例的檐口标高较低，柱子的用钢量所占比重低，从而经济跨度偏小。减小跨度势必增加柱的数量，当檐口高度增加后，柱的重量比例上升，最经济跨度也加大。最优跨度也是随着檐口高度不断变化的，研究表明当檐口高度为9m时，最优跨度为22.5m。

以上仅是针对本工程的实际情况，对门式刚架轻型钢结构体系的每平米用钢量与柱网选择的关系所作的讨论。对于有行车的情况更加复杂，由于吊车量的用量随柱距增加快速上升，按一般工程经验，柱距选择6～8米较为合适。而跨度多受工艺限制，这里不作进一步讨论。

参考文献

[1]周学军主编，《门式刚架轻型结构设计与施工》，山东科学技术出版社，2001；

[2]汪一俊等编著，《钢结构设计手册》（第三版），中国建筑工业出版社，2003；

[3]汪一俊等编著，《轻型钢结构设计指南（实例与图集）》，中国建筑工业出版社，2003；

[4]沈祖炎 《冷弯薄壁型钢檩条与墙梁的设计》建筑结构，1998.8，p19-23；

[5]刘鹏 《门式刚架的优化设计》，工业建筑，2001（7）：58-60。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。