轻型门式刚架的特点和优化方法分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 轻型门式刚架的特点和优化方法分 析 摘要门式刚架是单层工业厂房中 一种常见的结构形式，本文分析了门式 刚架结构的特点，并从柱距、跨度、次 构件以及钢材类型等几方面探讨如何降 低门式刚架的用钢量，并根据分析结果 提出了相关合理化建议。 中国论文网 /2/view-12901436.htm 关键词 门式刚架 用钢量 柱距 跨度 AbstractThe portal frame for single storey industrial buildings is a common form of structure,this paper analyzes the -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 characteristics of portal frame structure,and from column space,span,components and types of steel and so on several aspects to discuss how to reduce portal frame steel consumption,and according to the analysis results puts forward some reasonable suggestions. Key wordsportal frame; Steel consumption; column space; span 中图分类号：TU74 文献标识码： A 文章编号： 1 前言 近几年来，我国轻钢结构发展迅 速，单层门式刚架轻型房屋钢结构具有 跨度大、用钢量低、重量轻、施工速度 快、综合造价低和适用范围广等特点， 在轻工业厂房、仓库、交易市场等各类 建筑结构中得到了广泛的应用，其中用 钢量省、结构轻巧、适用范围广是门式 刚架最主要的特点。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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。 2 轻型门式刚架结构的特点 2.1 自重轻 围护结构采用压型金属板、玻璃 棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、 墙面的质量都很轻。根据国内工程实例 统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构 的用钢量一般为 1030kg/m2，在相同 跨度和荷载情况下自重约为钢筋混凝土 结构的 1/201/30，故在相同地震烈度 下结构的地震反应小。由于结构质量轻， 相应的基础可以做得尺寸比较小，地基 处理费用比较低。 2.2 工业化程度高，施工周期短 轻型钢结构最大的优势是所有构 件均可以在工厂制作，截面尺寸、连接 焊缝、螺栓孔位等易于控制，工地安装 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 方便、快捷；除基础施工外，基本没有 湿作业；构件之间的连接多采用高强度 螺栓连接，安装迅速，模板支架等辅助 材料使用较少。由于拼装简易，可以大 大缩短施工周期，一座 6000 平米的建 筑物，只需 40 天即可基本完成安装， 若采用混凝土结构，则需要 812 个月 左右。 2.3 综合经济效益高 门式刚架结构通常采用计算机辅 助设计，设计周期短；原材料种类单一； 构件采用先进自动化设备制造；运输方 便等。所以门式刚架结构的工程周期短， 资金回报快，可以早日建成投产，投资 效益相对较高。 2.4 易于拆卸搬迁 一旦业主对所造厂址不满意或外 界环境发生以外变化，则整个建筑物可 在短时间内进行拆迁，损失极小。而这 是混凝土建筑物无法实现的。 3 门式刚架设计优化分析方法 在门式刚架的设计中，为了充分 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 发挥其优越性，结构工程师应尽可能地 优化结构设计，从而达到“用钢量最省” 这个目标。门式刚架的用钢量主要与结 构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性 能、有无吊车、单跨或多跨等条件有关， 其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱 距、檐口高度和屋面坡度。通过以下几 个方面并结合实际工程，对比轻钢结构 经优化设计前后的用钢量差异。 该工程为一无吊车的轻型门式刚 架，跨度 24m，柱距 7.2m，檐口高度 9m，围护结构采用彩色复合压型钢板。 3.1 柱距和跨度对用钢量的影响 3.1.1 柱距对用钢量的影响 经过对大量工程实例统计及计算， 可以发现，柱距为 79m 时，总用钢量 基本保持稳定。小于 7m 时，总用钢量 随柱距增大普遍呈降低趋势，降幅随跨 度的增大而增加，柱距超过 9m 时，由 于檩条、支撑、吊车梁等构件的用钢量 大幅上升，造成总用钢量上升，因此， 对于常用刚架，建议柱距取 79m，当 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取 89m，当吊车吨位较大时，柱距可取 7m 左右，用钢量比常规 6m 柱距可节 省 3% 5%，总造价可节省 2%6% ， 经济效益非常可观2。另外同时应考虑 设计的标准化、定型化、品种规格化等 因素的影响。作者在对某能源科技公司 1#厂房的设计项目当中，在充分考虑了 业主功能性要求的前提下，根据厂房总 尺寸和占地面积，最终将柱距从业主当 初确定的 6m 改为 7.2m。这样首先在总 体设计方面有效地将造价降到最低，从 而为后续工作打下良好基础。 3.1.2 跨度对用钢量的影响 门式刚架体系也存在经济跨度， 因此不宜盲目追求大跨度。常规门式刚 架的经济跨度范围在 1830m，吊车吨 位较大时经济跨度在 2430m，无吊车 或吊车吨位较小时，经济跨度在 1821m；采用合理跨度可以节省钢材 5%15%，降低总造价 2%7% ，经济 效益亦很可观2。影响经济跨度的主要 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对 跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。 这是因为荷载大则柱截面大，若此时跨 度较小，其单位用钢量必然上升。若跨 度增大，梁截面又显著增大，也会导致 单位用钢量的上升。在设计时，应进行 几个方案的综合比较，选择适宜的跨度 和跨数。作者在该项目中最终确定的跨 度为 24m。 3.2 结构形式对用钢量的影响 轻型门式刚架的形式多种多样， 柱脚与基础通常做成铰接，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，柱通常为楔形 杆件，横梁通常做成加腋梁，加腋长度 一般取跨度的 1/61/5 较为经济，楔形 柱的最大截面高度取最小截面高度的 23 倍为最优截面3。门式刚架腹板 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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 1/451/60，截面 高宽比一般为 35)，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竖向支撑及屋面横 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 檩条连接可靠时，可利用型钢檩条兼作 刚性系杆。在有条件时，檩条可设计成 连续檩条，檩条平面外应根据具体情况 设置相应拉条。 3.3 钢材类型对用钢量的影响 在设计时，本工程主刚架采用 Q345-B 钢材。在最优跨度 2430m 的 范围内，无论柱间距大小，采用 Q345 钢的用钢量均比采用 Q235 钢的用钢量 下降 16%左右，成本稍高的热加强钢材 不仅强度提高，由于结晶组织的改善而 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 韧性提高，同时又具有良好的可焊性及 可加工性等工艺性能。而 Q345 钢价格 仅比 Q235 钢的价格每吨高 100 多元， 所以采用低合金高强度钢是降低总用钢 量的重要途径之一。 3.4 次构件对用钢量的影响 屋面檩条、墙面檩条的用钢量一 般占总用钢量的 20%25%，因此，正 确的构件设计和构造对保证整体结构的 安全、节省用钢量、控制造价有着十分 重要的意义。本设计中，檩条、墙梁选 用 Q345 镀锌卷材（冷弯薄壁型钢） ，因 为冷弯型钢实腹檩条受力性能好、承载 力高、整体刚度大，可以节约钢材、减 轻结构用钢量；而且冷弯型钢实腹檩条 制造安装方便，可叠合堆放，是一种合 理的檩条形式。冷弯薄壁型钢实腹式檩 条主要采用卷边 C 型檩条和带斜卷边 ( 或直卷边) 的 Z 型檩条。卷边 Z 型檩条 用于坡度大于 1/4 的屋面较为合理，此 时，屋面荷载作用线与截面主轴方向相 当接近，弱轴方向的力分量很小，一般 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 来说，坡度平缓的屋面采用卷边 C 型 檩条。但由于卷边 Z 型檩条可以叠合运 输，因此目前广泛地应用在坡度平缓的 屋面。设计中由于采用了连续檩条做法， 比门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 （CECS102： 2002) 中规定的简支檩条 节约钢材 8%左右。 3.5 构件的截面和尺寸对用钢量 的影响 在设计中初步满足以上四点的基 础上，对构件的截面和尺寸的变化进行 合理的调整才能最终到达用钢量在满足 安全可靠的前提下尽可能少。总的来说 截面和构件各部分尺寸的变化应尽量符 合弯矩图的变化。 对于钢架斜梁梁端加腋长度应尽 量短，但是一般来说要满足腹板高度改 变率不大于 60mm/m。对于单跨门式钢 架，通常是承载力控制，梁端加腋长度 和截面尺寸的调整主要考虑应力比的控 制，满足截面承载力要求并使各截面应 力比尽可能接近即可，当跨度较大时， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 常常是挠度控制，梁端加腋长度和尺寸 的调整主要考虑构件刚度，同时与柱子 的刚度有关。 4 结束语 综上所述，可以得到以下结论： 以门式刚架的特点来说，在一般工业厂 房等结构中应优先选用，如果再结合减 少用钢量等优化设计，一定会节省大量 建设资金，产生可观的经济效益，当无 吊车或吊车吨位较小时，柱距可取 89m，当吊车吨