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淺談門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文檔作者：蔡明喜，牛夢實(shí) 文檔來源：蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月03日
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第33卷第4期
2011年8月
甘肅冶金
GANSU METALLURGY
V01．33 No．4
Aug．，2011
文章編號：1672-4461 f2011)04-0130-04
淺談門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
蔡明喜，牛夢實(shí)
(蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州730000)
摘要：輕型門式剛架廠房是目前單層工業(yè)廠房中一種常見的結(jié)構(gòu)形式。其用鋼量省、結(jié)構(gòu)輕巧、適用范圍廣是此
類廠房最主要的特點(diǎn)，因此，在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)中，為了充分發(fā)揮其優(yōu)越性，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能地優(yōu)化結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)，從而達(dá)到“用鋼量最省”這個目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房；用鋼量；柱距；跨度；荷載
中圖分類號：TU392．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
Design of Steel Structure of Light-weight Building with Gabled Frames
CAI Ming—xi，NIU Meng—shi
(Lanzhou Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co．Ltd．，Lanzhou 730000，China)
Abstract：Steel structure of light—weight building with gabled frames，as a cominon structure style，is used in single—story
factory buildings．The main characteristic of such structure is with the steel quantity province，the structure dexterous，
and，wide application．Therefore，in light steel structure workshop design，structural en~neer should possible optimize
structure design as far as，to achieve the goal of the most steel quantity saving．
Key W ords：portal frame light steel structure workshop；the quantity of steel；column space；span ；load
1 引言
單層輕型門式剛架廠房在我國的應(yīng)用大約始于
20世紀(jì)80年代的初期。由于其質(zhì)量輕、柱網(wǎng)跨度
布置靈活、適用范圍廣、工業(yè)化程度高、施工周期短、
綜合經(jīng)濟(jì)效益高等顯著特點(diǎn)，近十幾年來在我國各
行各業(yè)中得到了大量的應(yīng)用。因此，結(jié)構(gòu)工程師為
了發(fā)揮其特有的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中對廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)
行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低用鋼量就顯得非常的有必要。輕
鋼結(jié)構(gòu)廠房的用鋼量主要與結(jié)構(gòu)形式、荷載大小、建
筑尺寸、鋼材性能、有無吊車、單跨多跨等條件有關(guān)，
其中建筑尺寸主要包括剛架的跨度、柱距、檐口高度
和屋面坡度。本文通過筆者對多個算例的計(jì)算分析
和近些年所做的工程實(shí)例的統(tǒng)計(jì)及計(jì)算，比較了各
種柱距、跨度情況下的用鋼量，并提出了各種情況下
的合理選擇。
2 算例計(jì)算條件
本文依據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)
程》(CECS 102：2002)，針對最常用的實(shí)腹式門式剛
架廠房作了用鋼量的分析，為了具有可比性和代表
性，設(shè)計(jì)采用的計(jì)算條件為：
(1)屋面恒載?。?．3 kN／m ；屋面活載?。?．4
kN／m ；基本風(fēng)壓：0．4 kN／m 。
(2)分別對單跨和雙跨兩種橫向布局形式(見圖
1)進(jìn)行各種情況下的用鋼量的比較。
(3)柱距的變化范圍為6—9 m(以0．5 m為模
數(shù))。
(4)跨度的變化范圍為l8～36 m(以3 m為模
數(shù))。
(5)分別對有無吊車進(jìn)行計(jì)算，其中有吊車廠房
中的吊車分別為5 t、l0 t、20 t的橋式吊車。
(6)檐口高度分別為：無吊車廠房6 m；有吊車廠
房9 mo
(7)屋面坡度為1：10的雙坡屋面。
(8)無吊車廠房為鉸接柱腳；有吊車廠房為固接
柱腳。
(9)計(jì)算程序選用PKPM-STS(2008版)。
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第4期 蔡明喜，等：淺談門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) I3l
幄
1-7
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a單跨布局 C1單跨布局
圖1 兩種橫向布置關(guān)系
3 柱距的合理選擇
在輕鋼廠房中柱距的選擇是否合理將直接影響
廠房的用鋼量。由于輕鋼廠房的柱距不受模數(shù)的限
制，因此，在滿足工藝專業(yè)的要求下，柱距的選擇較
為靈活。圖2所表示的是在24 m跨度、有無吊車條
件下不同柱距所對應(yīng)的總用鋼量的關(guān)系曲線。
，．、38
36
34
32
垃26
38
廠、36
34
32
3O
越24
圖2 柱距與總用鋼量的關(guān)系
筆者通過對以上各種算例的計(jì)算及統(tǒng)計(jì)并結(jié)合
近些年所做的工程實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，不管是單跨還是
多跨，柱距為7—8 m時，總用鋼量基本保持穩(wěn)定。
小于7 m時，總用鋼量隨柱距增大普遍呈降低趨勢，
柱距超過8 m時由于檁條、支撐、吊車梁等構(gòu)件的用
鋼量大幅上升，造成總用鋼量上升。因此，對于常用
剛架，建議柱距取7—8 m。當(dāng)無吊車或吊車噸位較
小時，柱距可取7．5—8 m；當(dāng)?shù)踯噰嵨惠^大時，柱距
可取7—7．5 m。用鋼量比6 m、9 m柱距可節(jié)省3％
一5％，總造價可節(jié)省2％ ～6％ ，經(jīng)濟(jì)效益非?？?
觀。各家對理想柱距的定義范圍略有不同，這是因
為研究時使用的荷載情況、檐高、跨度、計(jì)算軟件以
及依據(jù)的規(guī)范的不同。從這些研究中可以得出一個
大致的結(jié)論，在通常使用的跨度范圍內(nèi)，7．5 m左右
的柱距可能得到較好的經(jīng)濟(jì)效果，小于7 m或超過
9 m以后，結(jié)構(gòu)用鋼量會明顯增加。另外同時應(yīng)考
慮設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、定型化、品種規(guī)格化等因素的影
響。
4 跨度的合理選擇
在輕鋼廠房中跨度的選擇是否合理也將直接影
響廠房的用鋼量。因此，在滿足工藝專業(yè)布局，甲方
及場地現(xiàn)狀的要求下，廠房跨度的合理選擇顯得很
有必要。圖3所表示的是在7．5 m柱距、有無吊車
條件下不同跨度所對應(yīng)的總用鋼量的關(guān)系曲線。
廠、38
36
34
32
26
38
— 36
34
j2
3O
24
0牿
b 雙跨
圖3 跨度與總用鋼量的關(guān)系
筆者通過對以上各種算例的計(jì)算及統(tǒng)計(jì)并結(jié)合
近些年所做的工程實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)，一般情況下，輕
鋼結(jié)構(gòu)廠房的經(jīng)濟(jì)跨度在l8—36 m。吊車噸位較
大時，經(jīng)濟(jì)跨度在24—36 m；無吊車或吊車噸位較
小時，經(jīng)濟(jì)跨度在I 8—24 m。采用合理經(jīng)濟(jì)跨度可
以節(jié)省鋼材5％ 一15％ ，總造價降低2％ ～7％。影
響經(jīng)濟(jì)跨度的主要因素是荷載，荷載越大時，總用鋼
量對跨度越敏感，越應(yīng)注意采用合理跨度。這是因
為荷載大則柱截面大，若此時跨度較小，其單位用鋼
量必然上升。若跨度增大，梁截面又顯著增大，也會
瓣
132 甘肅冶金 第33卷
導(dǎo)致單位用鋼量的上升。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)進(jìn)行幾個方
案的綜合比較，選擇適宜的跨度和跨數(shù)。
5 檐口高度的確定
當(dāng)荷載、跨度、柱距等因素相同時，檐口高度
(柱長度)愈高，用鋼愈大。這不僅僅是由于柱加長
了一節(jié)。更重要的是由于柱高增加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛
度降低，柱頂在水平荷載作用下的側(cè)移增大，要控制
柱頂位移值，必須增加柱截面尺寸。柱計(jì)算長度越
大，其穩(wěn)定系數(shù)越小，柱越容易受壓失穩(wěn)，其臨界壓
力是與柱計(jì)算長度的平方成反比的。從鉸接柱臨界
力公式中可以看出，當(dāng)柱計(jì)算長度不能改變時，要提
高柱的臨界力，只有增大截面慣性矩(與截面尺寸
和截面形狀有關(guān))。對于受壓構(gòu)件，多采用對稱截
面，如H截面、管形截面、箱形截面等，增大I臨界力
必須要加大截面尺寸，或者減少柱在兩個垂直方向
上的計(jì)算長度，例如增加系桿或隅撐等，這些都會導(dǎo)
致用鋼量的增加。因此，在滿足廠房正常使用的前
提下，盡可能的降低輕鋼廠房的檐口高度，會使整個
廠房的用鋼量有比較明顯的降低。
6 荷載的準(zhǔn)確確定
輕鋼廠房在設(shè)計(jì)過程中首先要明確的就是廠房
所要承受的各種荷載效應(yīng)。不言而喻，荷載的大小
對于結(jié)構(gòu)用鋼有著直接的影響。荷載增加，用鋼會
隨之增加。但是荷載考慮不足又會影響廠房結(jié)構(gòu)的
安全度。因此，在設(shè)計(jì)開始前搜集各種資料并結(jié)合
相關(guān)規(guī)范合理的確定輕鋼廠房所承受的各種荷載是
很有必要的。一般來說，輕鋼廠房所承受的荷載主
要包括：恒載、活載、吊車荷載、風(fēng)載、雪載及積灰荷
載等，其中活載與雪載不同時，只需要考慮二者較大
值。一般一個輕鋼廠房的屋面投影面積不會小于
60 in 。因此在計(jì)算輕鋼廠房剛架時，活載可以按
0．3 kN／m 取值。吊車荷載作用時，要考慮多臺吊
車的荷載折減系數(shù)。在廠房剛架設(shè)計(jì)時，將各種荷
載以及各自的折減系數(shù)考慮周全，既能保證廠房在
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的安全可靠，又能最大限度的降低
用鋼量。
7 次構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)
這里所說的次構(gòu)件主要包括廠房的柱間支撐、
屋面水平支撐、山墻抗風(fēng)柱、檁條及墻梁等構(gòu)件。這
部分的用鋼量一般占總用鋼量的25％ 一30％。因
此，正確的構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造對保證整體結(jié)構(gòu)的安全、
節(jié)省用鋼量、控制造價有著十分重要的意義。在無
吊車的輕鋼廠房中，柱間支撐宜優(yōu)先考慮設(shè)置柔性
支撐。在有吊車的輕鋼廠房中，柱問支撐中的上柱
支撐也可優(yōu)先考慮設(shè)置柔性支撐，下柱支撐可以考
慮設(shè)置型鋼支撐。屋面水平支撐宜優(yōu)先考慮設(shè)置柔
性支撐。檁條、墻梁宜優(yōu)先選用Q345鍍鋅卷材，一
般采用冷彎薄壁型鋼，因?yàn)槔鋸澬弯搶?shí)腹檁條受力
性能好、承載力高、整體剛度大，可以節(jié)約鋼材、減輕
結(jié)構(gòu)用鋼量；而且冷彎型鋼實(shí)腹檁條制造安裝方便，
可疊合堆放，是一種合理的檁條形式。冷彎薄壁型
鋼實(shí)腹式檁條主要采用卷邊C型檁條和帶斜卷邊
(或直卷邊)的z型檁條。卷邊z型檁條用于坡度大
于1／4的屋面較為合理。此時，屋面荷載作用線與
截面主軸方向相當(dāng)接近，弱軸方向的力分量很小，一
般來說，坡度平緩的屋面采用卷邊c型檁條。但由于
卷邊z型檁條可以疊合運(yùn)輸，因此目前廣泛地應(yīng)用在
坡度平緩的屋面。設(shè)計(jì)時采用連續(xù)檁條或連續(xù)墻梁，
可比《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS
102：2002)中規(guī)定的簡支檁條節(jié)約鋼材10％左右。
8 鋼材類型的合理選擇
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，主剛架宜采用Q345．B鋼材，吊
車梁宜采用Q345．B鋼材，材質(zhì)符合《低合金高強(qiáng)度
結(jié)構(gòu)鋼》(GB／T 1591-2008)要求。這里鋼材強(qiáng)度是
指鋼的屈服強(qiáng)度，因?yàn)殇摬牡脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度是根據(jù)其屈
服強(qiáng)度而確定的。國內(nèi)建筑常用鋼材為Q235和
Q345，即鋼材的屈服強(qiáng)度=235 N／mm和：345 N／
Rim。當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面是由其強(qiáng)度控制時，Q235
鋼所需的構(gòu)件截面面積為Q345鋼的1．47倍。當(dāng)
長度確定時，則構(gòu)件Q235的用鋼為Q345用鋼的1．
47倍。因此當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的用鋼是由其強(qiáng)度控制時，
Q345的用鋼要比Q235節(jié)約，可用上述的數(shù)值概念
來衡量。但當(dāng)構(gòu)件的尺寸是由變形(HU度)和穩(wěn)定
控制時，鋼材強(qiáng)度的影響就不十分顯著，因?yàn)闃?gòu)件的
剛度和穩(wěn)定與強(qiáng)度無關(guān)。但是構(gòu)件由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)化
為穩(wěn)定或剛度控制常常不是一個明確的界限而是一
個范圍，同時構(gòu)件在滿足穩(wěn)定和剛度要求時，也需對
其強(qiáng)度或組合強(qiáng)度(例如，彎、剪、壓共同作用)進(jìn)行
檢查或校核。筆者通過近年來所設(shè)計(jì)的輕鋼廠房在
最優(yōu)跨度24—30 m的范圍內(nèi)，無論柱間距大小，采
用Q345鋼的用鋼量均比采用Q235鋼的用鋼量下
降15％左右，因此材料強(qiáng)度對構(gòu)件的影響是存在
的。在如今Q345與Q235價格相差不多的情況下，
使用強(qiáng)度高一些的低合金高強(qiáng)度鋼對節(jié)約鋼材會有
明顯的效果。
9 其他方面
輕鋼結(jié)構(gòu)廠房由于自重較輕，且柱頂高度一般
不高，柱底彎矩相對不大，因此，在設(shè)計(jì)時通常采用
舔瓣 端 0m
第4期 蔡明喜，等：淺談門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) l33
鉸接柱腳，只有在有吊車時，才采用剛接柱腳。在多
跨門式剛架中，由于中柱兩端柱頊彎矩很小，常做成
搖擺柱(兩端鉸接柱)，但應(yīng)注意的是，當(dāng)跨數(shù)較多
時，搖擺柱的數(shù)量應(yīng)不多于3列。按照《門式剛架
輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102：2002)中規(guī)
定，當(dāng)橫向長度超過150 m，縱向長度超過300 1TI時
須設(shè)置伸縮縫，從構(gòu)造上來說，設(shè)置伸縮縫不存在任
何問題。不過，一般做法是采用雙柱，因此用鋼量相
應(yīng)有所增加，特別是縱向伸縮縫，增加的柱子較多，
所以，在進(jìn)行門式剛架平面布置時應(yīng)盡量使平面尺
寸在不設(shè)伸縮縫的范圍之內(nèi)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，遵循
這些基本原則，也可以降低用鋼量。利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)
方法和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件及截面的幾何參
數(shù)在設(shè)計(jì)時，剛架采用變截面構(gòu)件，當(dāng)為承載能力極
限狀態(tài)控制設(shè)計(jì)時，其截面變化的根據(jù)主要是彎曲
應(yīng)力與軸壓應(yīng)力兩者計(jì)算值“組合”的應(yīng)力圖形的
變化。利用截面變化，使各截面“組合應(yīng)力”與材料
設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的比值盡可能接近，也就是使材料分布
更接近于應(yīng)力圖形的分布，這就是滿應(yīng)力設(shè)計(jì)法。
在確定了結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件的選型后，在保證安全可
靠的前提下，滿應(yīng)力設(shè)計(jì)法是使剛架設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理
的主要手段。同時，在剛架計(jì)算過程中應(yīng)充分利用
板件的屈曲后強(qiáng)度，從而在滿足規(guī)范構(gòu)造要求的前
提下，減小梁、柱構(gòu)件腹板的厚度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)
現(xiàn)兼并功能原則可將承重、圍護(hù)、穩(wěn)定等多種功能統(tǒng)
一于一體，合并結(jié)構(gòu)部件及層次，簡化結(jié)構(gòu)構(gòu)造，最
大程度地進(jìn)行結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的規(guī)格化、統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)
化，以提高輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)水平，加速從標(biāo)準(zhǔn)化
構(gòu)件生產(chǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化房屋生產(chǎn)的過渡。
1O 結(jié)語
在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)過程中，用鋼量的控制非
常的重要。通過以上的敘述，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)
論：
(1)在滿足工藝專業(yè)及甲方對廠房的布置要求的
前提下，一般輕鋼廠房的柱距在7．5 m左右會得到
比較好的經(jīng)濟(jì)效果。
(2)在滿足工藝專業(yè)布局，甲方及場地現(xiàn)狀的要
求下，一般輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的經(jīng)濟(jì)跨度在l8—36 m，吊
車噸位較大時，經(jīng)濟(jì)跨度在24～36 m，無吊車或吊
車噸位較小時，經(jīng)濟(jì)跨度在l 8—24 nl。
(3)在滿足廠房正常使用的前提下，盡可能的降
低輕鋼廠房的檐口高度。
(4)在廠房剛架設(shè)計(jì)時，將各種荷載以及各自的
折減系數(shù)考慮周全。
(5)檁條可采用連續(xù)卷邊z型檁條來代替?zhèn)鹘y(tǒng)簡
支C型檁條。
(6)在滿足焊接工藝及其他條件要求的前提下，
并且設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制時，盡量采用低合金高強(qiáng)鋼材。
(7)在滿足工藝布置的前提下，盡量減少變形縫
的設(shè)置。
(8)在可能的條件下，盡量采用鉸接平板柱腳。
參考文獻(xiàn)：
[1] CECS 102：2002．門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程
[s]．
[2] GB 500018—2002．冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[s]．
[3] GB 50017—2003．鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[s]．
[4] 陳紹蕃．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]．北京：科學(xué)出版社，
1998．
[5] 柳鋒，郭兵，陳長兵，等．門式剛架的經(jīng)濟(jì)尺寸與
優(yōu)化初設(shè)計(jì)[M]．
收稿日期：2011
(上接第121頁)
程中，必須定期對皮囊進(jìn)行氣密性檢查，定期更換皮
囊及密封組件。一旦發(fā)現(xiàn)皮囊中的充氣壓力低于規(guī)
定的充氣壓力時，要及時充(補(bǔ))氣，以使蓄能器長
期處在最佳工作狀態(tài)。另外，壓力油的工作溫度對
皮囊的使用壽命也有相當(dāng)大的影響，工作油溫過高
或過低，都會縮短皮囊的使用壽命。因此，系統(tǒng)的工
作溫度必須控制在合理的范圍內(nèi)。如果蓄能器長期
停止使用，則應(yīng)關(guān)閉蓄能器與系統(tǒng)之間的截止閥，以
保持蓄能器內(nèi)的充氣壓力。檢修蓄能器時，應(yīng)完全
卸壓，放盡有壓氮?dú)?、放空有壓壓力油后才可拆卸?
修配。
6 結(jié)語
液壓蓄能器是液壓系統(tǒng)中一個非常重要的輔助
元件，合理地選用液壓蓄能器對液壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)
定性、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性都有相當(dāng)大的重要意義。
參考文獻(xiàn)：
[1] 雷天覺．新液壓工程手冊[M]．北京：北京理工大學(xué)出
版社，1998．
收稿日期：2011-03．19
作者簡介：趙海峰(1984．)，男，2006年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械
設(shè)計(jì)及自動化專業(yè)，液壓工程師。從事液壓潤滑設(shè)備管理工作。
褊嬲 Tel 093 1Z 8~15-186 ．．

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