門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房經(jīng)濟合理柱距的研究

沈陽建筑大學土木工程學院 遼寧沈陽 110168

摘要：門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應用于無重型起吊設備的單層廠房中，其用鋼量與結(jié)構(gòu)形式、荷栽大小、建筑尺寸、抗震等級等條件有關，其中以柱距影響為甚。

關鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；最優(yōu)柱距；用鋼量；門式剛架；

1引言

門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系是近年來在鋼結(jié)構(gòu)建筑中應用相當廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。它是用等截面或變截面的焊接H型鋼作為梁柱，以冷彎薄壁型鋼作檁條、墻梁、墻柱，以彩鋼板作為屋面板及墻板，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要承重結(jié)構(gòu)，再配以零件、扣件、門窗等形成的比較完善的建筑體系，即門式剛架輕型結(jié)構(gòu)體系。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系在國外的應用極為廣泛。在我國，隨著壓型鋼板、冷彎薄壁型鋼、H型鋼的引進與發(fā)展，輕型門式剛架結(jié)構(gòu)體系引起了普遍的重視，應用越來越廣泛，逐漸成為許多工業(yè)和民用建筑的首選結(jié)構(gòu)體系。

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是單層工業(yè)廠房中一種常見的結(jié)構(gòu)形式。特別是近十多年來，隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，由于生產(chǎn)的需要，這類結(jié)構(gòu)以其用鋼量低，重量輕，造價低，適用范圍廣等優(yōu)點而獲得廣泛的應用。但是，由于我國目前還沒有相應的輕鋼設計規(guī)范。大部分設計仍沿用現(xiàn)行的普通鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范來進行門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設計和計算，使得設計用鋼量指標高攀不下，或在沒有充分理論依據(jù)的情況下，憑經(jīng)驗一味地追求低用鋼量而造成事故。[1]因此為了使門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)能夠真正地實現(xiàn)設計標準化、定型化、專門化，只有從研究經(jīng)濟合理的柱距，確定合理的柱距模數(shù)入手。

2工程概況

本文以某實際工程為例，在保證承載力與正常使用的前提下，采用PKPM軟件設計計算一定跨度和荷載條件下柱距范圍為6.0m-21.0m，模數(shù)為1.5m，共11種柱距下的主結(jié)構(gòu)、吊車梁以及次結(jié)構(gòu)三者用鋼量對門式剛架鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房經(jīng)濟合理柱距進行研究。

該工業(yè)廠房為沈陽某2跨單層車間，長105m，寬36m，跨度為18m，檐口標高12m，軌頂標高9m，屋面建筑標高13.5m。

2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.1荷載條件

恒載：O.3KN/m2；活載：計算主鋼架時O.3KN/m2，計算屋面檁條時O.5KN/m2；風荷載以0.35KN/m2為基本風壓值，近似取高度變化系數(shù)為1.0；雪荷載為0.30KN/m2，考慮屋面坡度1：15，α<15°取屋面積雪分布系數(shù)為1.0；地震作用：設防烈度7度（0.1g），IV類場地，第二組。

2.1.2主鋼架

鋼材：Q345B；跨度為16.5m，吊車：每跨2臺10T，A5工作制吊車：各開間柱距相等。計算中對于不同柱距下的單榀剛架應盡量滿足相同位置的梁柱應力比、最大撓度相近的原則。

2.1.3吊車及吊車梁

吊車采用大連重工起重集團生產(chǎn)的DQQD型10T吊鉤橋式起重機。吊車跨度19.5m，最大輪壓123kN，小車重3.424t。吊車梁簡支支承，由于吊車噸位較小，跨度較大時剛度起控制作用，故吊車梁鋼材全部采用Q235B；軌道采用140mm鋼軌（43kg/m）。吊車梁實腹式等截面，無制動結(jié)構(gòu)。

2.1.4墻梁檁條等圍護結(jié)構(gòu)

本文下采用C型簡支檁條，墻梁均采用簡支C型冷彎薄壁型鋼?？紤]拉條、隅撐、檁托等重量，對于簡支檁條、墻梁，用鋼量放大5%：對于連續(xù)檁條，需在支座兩邊一定范圍搭接以滿足連續(xù)條件。本文根據(jù)工程經(jīng)驗，并參照《輕型鋼結(jié)構(gòu)設計指南（實例與圖集）》內(nèi)容：端跨相鄰的中間跨按15%L，其余5%L進行計算。用鋼量為某一構(gòu)件總用鋼量（kg）與總建筑面積（m2）之比，單位為kg/m2。

3計算結(jié)果與分析

3.1主結(jié)構(gòu)用鋼量

主結(jié)構(gòu)主要包括剛架梁、柱以及連接節(jié)點等，耗材最多，直接影響整個結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。為客觀比較不同柱距下的主鋼架用鋼量，控制主要應力比在O.8—0.95之間，結(jié)果如圖1所示。

計算結(jié)果分析：

a）由于剛架數(shù)量減少，單榀剛架用鋼量小于剛架數(shù)量減小對用鋼量的影響，主結(jié)構(gòu)用鋼量隨著柱距增加而降低；

b）由于單榀剛架恒活載隨柱距的增加而非線性的增大，其對用鋼量的影響逐漸增大，用鋼量下降幅度趨于平緩。

3.2吊車梁用鋼量

吊車梁用鋼量見圖2。

圖1 主結(jié)構(gòu)用鋼量

圖2 吊車梁用鋼量

結(jié)果分析：

a）吊車梁用鋼量隨著柱距的增大線性增加，并逐漸與主結(jié)構(gòu)用鋼量相接近；

b）由于撓度與跨度的四次方成正比，翼緣正應力與跨度的二次方成正比，隨著吊車梁跨度的增加，撓度在跨度較大的吊車梁設計中起重要作用。

3.3檁條和墻梁用鋼量

控制主要應力比在0.8～0.95之間。結(jié)果如圖3所示。

圖3 墻梁和檁條用鋼量表

結(jié)果分析：

a）墻梁和檁條的用鋼量隨著柱距的增大，恒活荷載的增大，用鋼量也隨之增大；

b）構(gòu)件的最大彎矩應與其跨度的平方成正比，但曲線接近直線，且有一定起伏。因檁條用鋼量在9.0m柱距出現(xiàn)拐點。

3.4總用鋼量

總用鋼量結(jié)果如圖4所示。

圖4 總用鋼量

結(jié)果分析：

a）隨著柱距的增加主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)的變化趨勢相反，結(jié)構(gòu)存在最優(yōu)柱距。

b）由于主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的鋼材型號與單價不同，總鋼量與柱距關系曲線的最低點為用鋼量最省的柱距，但不是最優(yōu)柱距。

4結(jié)語

基于以上分析過程，求得本工程最優(yōu)柱距的范圍為6m～10.5m左右。本文所給出的最優(yōu)柱距范圍僅針對本工程的實際情況討論門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系柱距與每平米用鋼量的關系。實際工程中，影響最優(yōu)柱距及結(jié)構(gòu)用鋼量的因素眾多，一個參數(shù)的改變或?qū)⒁鹂傆娩摿繕O值點的移動。在設計中應綜合考慮其他因素，得到有實際工程意義的最優(yōu)柱距。

參考文獻：

[1]王元清，于春光.門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房最優(yōu)柱距研究.工業(yè)建筑，1999，29（6）：49-51.

[2]吳劍國，龔銘，孫蘇詢等.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)離散變量優(yōu)化設計.建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（8）：54-55.

[3]柳鋒，郭兵，陳長兵等.門式剛架的經(jīng)濟尺寸與優(yōu)化初設計.鋼結(jié)構(gòu)，2003，18（1）：32-34.