浅析轻型门式刚架钢结构的优化设计

浅析轻型门式刚架钢结构的优化设计

石远昌

中国轻工业广州工程有限公司，广东省广州市，511447

摘要：轻型钢门式刚架结构是单层厂房中一种常见结构，因其用钢量少，结构自重轻，施工速度快，综合经济效益高，近年来得到了迅猛的发展。本文简要阐述了轻型门式刚架概述及门式刚架建筑的优缺点，重点探讨和研究了门式刚架结构优化设计。

关键词：门式刚架；钢结构；优化设计

前言：轻型钢结构在我国的建筑结构施工中得到了广泛应用，国家也出台了相应的设计规范，有钢结构设计规范以及门式刚架轻型钢结构技术规程等，这些规范对实际的钢结构设计提供了理论依据。在对门式刚架轻型钢结构的设计优化中，对设计质量的保障是比较关键的，要按照规范要求进行设计。从理论上加强门式刚架轻型钢结构设计的研究，就能对实际钢结构优化设计起到促进作用。

1门式刚架的概述

门式刚架是门式刚架轻型房屋的最主要受力体系。门式刚架和采用冷弯薄壁型钢制成的檀条及采用压型钢板制成的外墙板、屋面板共同组成轻型钢结构房屋。典型的门式刚架轻型钢结构体系由基础、主钢架、墙梁（吊车梁）、檀条、屋面板、墙面板，抗风柱，屋面支撑，柱间支撑等组成。

门式刚架轻型钢结构已成为当今轻型化建筑结构的主要形式，它能有效利用材料。构件尺寸小，重量轻，而且可以在工厂批量生产，保证质量，工地安装连接简便迅速，施工周期短和可循环利用而被广泛应用于工业厂房和公共建筑中，其优越性和经济效益是不言而喻的。

2门式刚架建筑的优缺点

2.1门式刚架建筑的优点

1.构造简单，材料单一。容易做到设计标准化、定型化以及构件加工制作工业化，所以现场安装、预制、装配化程度高。销售、设计、生产可以全部采用计算机控制，产品质量好，生产效率高。

2.自重轻，减少构件运输、安装工作量。

3.抗震性能好。由于刚架结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。

4.施工周期短。门式刚架轻型钢结构的最大优点是：所有构件均可以由工厂制作，现场拼接安装，构件标准定型装配化程度高，所以现场安装简单快速，现场只要用螺栓、铆钉锁紧或部分焊接，即可完成组装工作，可缩短工期，资金回收快。因为没有湿作业，现场安装不受气候影响，对一般规模较小的工业厂房仅需45天至2个月，一般厂房、仓库在签订合同后3～4个月内可以交付使用，而若采用钢筋混凝土建筑则要8～12个月左右。

5.宜于拆卸搬迁。一旦业主对所建厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些特点是钢筋混凝土建筑所无法具备的。

2.2门式刚架建筑的缺点

1.养护费用高。轻型钢结构建筑物暴露在空气中，钢材易被腐蚀，必定期用油漆保养，混凝土则不需保养。

2.需做防火层。轻型钢结构在高温室强度会减弱，必须作防火层，这样当火灾发生时，才有足够的时间来逃生。而混凝土本身就是耐燃材料。

3.门式刚架轻型钢结构先期投入大。由于需要一些专门的设备才能生产满足要求的型钢，因为相应的设备就复杂昂贵一些，有些设备甚至需从国外进口。而钢筋混凝土所用材料可随建筑物的建造而就近运抵现场。

4.门式刚架轻钢结构的设计施工需专业的人员。只有经培训合格的人员，才可能建造出满足精度要求、安全的轻型钢结构。

3门式刚架轻型钢结构设计发展不足

门式刚架轻型钢结构的设计发展过程中，还存在着诸多的不足，在规范方面还要继续完善，在对轻型钢结构的设计方面涉及到的规范标准比较多，有着很强的交叉性，国家以及协会的标准和技术文件等方面都有相应的规范标准，而在这些标准规范方面没有形成统一的标准，这就对实际的钢结构设计提出了很大挑战，设计人员对标准的选择就成为一个难题。例如在门规当中对刚架形式均为单屋脊情况，具体的设计中，对跨度大的房屋在工艺流程等要求下会采用多屋脊结构形式。而在设计中如果是采取了钢规的规定就比较容易造成诸多浪费现象。

门式刚架轻型钢结构的设计理论研究有待深化，在构造的措施方面还需要优化，门式刚架轻型钢结构在我国的发展时间并不是很长，在诸多层面都存在着不足，在针对性的构造措施研究方面还需要进行深化，例如在节点连接以及支撑布置等层面，都需要有扎实的理论支持。再有就是在结构计算的方法以及计算软件方面，还要提高计算的效率水平，在计算软件的开发升级的需求还比较大。

4门式刚架轻型钢结构优化设计

4.1合理跨度的确定

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。有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定较为经济的跨度，在尽可能满足生产工艺和使用功能的基础上，应根据房屋的高度确定较为合理的跨度。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，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高为6米、柱距为7.5米、荷载情况完全一致情况下（恒载0.4KN/m2，活载0.5KN/m2，基本风压0.4KN/m2，无吊车），跨度在18～48m之间的刚架单位用钢量（Q235-B）为18～35kg/m2；当檐高为12m时（其他情况同上），跨度在18～48m之间的刚架用钢量（Q235-B）为25～40kg/m2，当檐高超过18m时，宜采用多跨刚架（中间设置摇摆柱），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选择方案时选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度。

4.2刚架最优间距的确定

刚架的间距与刚架的跨度、屋面荷载、擦条形式等因素有关,在刚架跨度较小的情况下,选用较大的刚架间距,增加擦条的用钢量是不经济的,因此从综合经济分析的角度看,确定合理的柱距才能既节约钢材,又使设计真正做到定型化、专门化、标准化以及轻型化,从而推动门式刚架轻钢结构体系在我国的发展。经过大量计算,笔者发现：随着柱距的增大,刚架用钢量比例是逐渐下降的,但当柱距增大到一定数值后,刚架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓。而其他如擦条、吊车梁、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加,就房屋的总用钢量而言,随柱距的增大先下降而后又上升。综合各项用钢量表明,对一定条件下的轻型钢房屋而言存在一最优柱距。表1所列即为一般情况下,柱高为6m,备种跨度对应的刚架最优间距。

综合表1所示,一般情况下,门式刚架最优柱距应在6～9m之间,柱距不宜超过9m,超过9m时,屋面擦条与墙架体系的用钢量增加太多,综合造价并不经济。

4.3确定科学的结构力学模型

轻型门式刚架的形式多种多样,柱脚和基础通常做成铰接,多跨刚架的中柱多采用摇摆柱。但当柱高度较大时,为控制风荷载作用下的柱顶位移值,柱脚宜做成刚接,多跨刚架的中柱与横梁的连接也宜采用刚接,多跨刚架宜做成多坡,较为节省钢材。

门式刚架一般采用实腹式变截面梁和柱来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹饭高度变化外,厚度也可根据需要变化；上下翼缘可用不同截面；相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此,影响整个刚架用钢量的因素有上翼缘的宽度、厚度；下翼缘的宽度、厚度；腹板的厚度；构件大头、小头的高度：而且这些因素之间也相互影响,互们不独立。柱通常为楔形杆件,楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2一3倍为最优截面,门式刚架腹板主要以抗剪为主,翼缘以抗弯为主,在无振动荷载作用下,可充分利用腹板屈曲后强度分析构件的强度和稳定性,将构件设计成为高而窄的截面形式(最小截面高度宜取跨度的1/45一l/60,截面高宽比一般为3一5),PKPM系列软件的SsT模块截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸,经过试算确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少,而且可以人工干预截面优化范围,快速的得到比较理想的截面尺寸。构件的平面外稳定可通过设置隅撑来保证,为使结构具有可靠的整体稳定性,纵向通常设置由十字交叉圆钢组成的屋面横向水平支撑,同时,应在柱顶和屋脊设置刚性系杆。在实际工程中,当屋面与擦条连接可靠时,可利用型钢擦条兼做刚性系杆。有条件时,擦条可设计成连续擦条,擦条平面外应根据具体情况设置相应拉条。

4.4利用门式刚架截面优化设计

实现截面优化的方法只要有两种：1.用最优化理论。首先可以把问题归纳为一个单目标的问题，用钢量最少或造价最低作为优化的具体目标函数。应力、位移等可作为约束条件，最后用我们的数学方法得到最满意解。2.穷举法。首先仔细计算和比较各种合理的构件截面形式，并在满足具体设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低为控制条件，得到满意的截面尺寸。门式刚架常采用变化构件的截面来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化；上下翼缘可用不同截面；相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上翼缘的宽度、厚度；下翼缘的宽度、厚度；腹板的厚度；构件大头、小头的高度；而且这些因素之间也互相影响，互相不独立。工程设计从形式来说，是一种基于非常严格的力学和数学方法的精确运算过程。事实上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的，具有主观色彩的决策问题，所以，完全用最优化理论来解决截面优化设计有很大的复杂性。另外，用穷举法解决截面优化问题时，多因素决定了计算次数随构件数增加而呈指数关系增加，故当刚架构件较多时，要花费很长的计算时间。当设计者确定了结构形式后，截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸，经过试算确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少，而且可以人工干预截面优化范围，快速的得到比较理想的截面尺寸。

5结语

综上所述，门式刚架轻型钢结构的设计优化的实施中，还存在着诸多的不足有待优化，在当前建筑行业蓬勃发展下，对门式刚架轻型房屋钢结构的选择应用将会成为发展主流，所以在实际的结构设计工作方面要加强重视，为实际钢结构的设计提供理论依据，保障钢结构的设计科学性。

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