淺談門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

■陳 斌 ■中冶東方工程技術(shù)有限公司秦皇島研究設(shè)計院，河北 秦皇島 066004

早期，國外的門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)大多是應(yīng)用于建造私人車庫等一些較為簡易的房屋。在戰(zhàn)爭中，由于其拆裝迅速，在營房和車庫中具有較為廣泛的應(yīng)用。［1］隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)的發(fā)展，尤其是H 型鋼和冷彎型鋼的發(fā)展，使得門式鋼架輕型鋼結(jié)構(gòu)得到了較為迅速的發(fā)展。因門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)具有傳力路徑明確、構(gòu)件便于工廠化加工、自重輕、施工周期短、造價低等諸多優(yōu)點［2］，我國在改革開放以后，特別是21 世紀(jì)以來，鋼結(jié)構(gòu)以其自身的優(yōu)點得到了迅猛的發(fā)展，大部分用于工業(yè)廠房、車間、樣板房等，隨著人們對其認(rèn)識的深入，其在民用領(lǐng)域的發(fā)展也是勢頭強(qiáng)勁，更是得到政府部門的大力支持和推廣。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋改變了混凝土建筑房屋的模式，讓人們感覺到眼前一亮。隨著門式剛架的迅速普及，人們對鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提出了更高的要求，因此從設(shè)計源頭上做好設(shè)計的優(yōu)化工作，就有著非常主要的意義。本文在對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年的設(shè)計工作經(jīng)歷，淺談一下對于門式剛架優(yōu)化設(shè)計的一點體會。

1 剛架特點

現(xiàn)階段，在輕型工業(yè)廠房中使用的門式剛架大致上包括兩種，即單跨剛架以及多跨剛架。多跨剛架因其具有更為廣泛的適用性，在實際中使用的較多，在剛架的跨數(shù)選擇過程中要注意根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。比如，對于工藝功能要求比較單一的廠房單跨剛架就能滿足要求，而對于工藝要求比較復(fù)雜，要求有不同的功能分區(qū)的廠房，多跨剛架則是個不錯的選擇。廠房的高度一般根據(jù)工藝要求特別是天車軌頂標(biāo)高以及建筑采光通風(fēng)等要求來確定一個合理的高度，既要滿足各工藝專業(yè)的使用要求，又不能無理拔高而造成浪費。屋面考慮建筑排水，采光通風(fēng)等因素一般做成坡屋頂，一般單跨特別是多跨剛架常采用雙坡屋面、雙向排水，這樣做的目的是避免單坡屋面在廠房跨度大時，一側(cè)剛架柱高度需要拔高，造成材料浪費，另外從建筑方面考慮會水面太大也不利于組織排水。相比于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)，門式剛架相同于其他鋼結(jié)構(gòu)建筑，其優(yōu)點簡單歸納如下:(1)剛架的構(gòu)造較為簡單，使用的材料單一，因此在實際選擇中容易做到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、定型化以及構(gòu)件加工制作工業(yè)化，大部分構(gòu)件都可在鋼結(jié)構(gòu)工廠完成，更容易保證質(zhì)量，生產(chǎn)效率也高。(2)抗震性能良好。因為剛架結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu)、自重小，所以可以明顯的減小地震的破壞程度，對于抗震是極其有利的。對于我國這樣一個的多地震災(zāi)害的國家來說，有著廣闊的發(fā)展前景。(3)能夠滿足環(huán)保的需求。鋼材是一種生態(tài)友好型材料，其回收過程比較便捷，能夠在回收后重復(fù)使用。

當(dāng)然鋼結(jié)構(gòu)也有其材料本身的一些缺陷，比如耐熱但防火性能不高，鋼材在200℃以內(nèi)時，力學(xué)性能變化不大，超過300℃，強(qiáng)度和彈性模量急劇下降，到600℃時，已不能承載，另外相比于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)也容易生銹腐蝕。隨著近年來防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐防火差的缺點，使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)形式

門式剛架是一種連續(xù)結(jié)構(gòu)，單就單跨的門式剛架來說，其受力模型上可以理解為異型的三跨連續(xù)梁，只不過兩個邊跨梁被彎折了90 度而已。梁和柱以剛接的形式連接在一起，在豎向載荷的作用下，利用柱對梁的約束減少了梁的彎矩，而在水平荷載的作用下，利用梁對柱以及基礎(chǔ)對柱的約束減少柱的彎矩。因此從結(jié)構(gòu)受力來說門剛結(jié)構(gòu)是一種比較合理的連續(xù)結(jié)構(gòu)。

輕型門式剛架具有廣泛的應(yīng)用，按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的功能，可以分為主體承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成，其中主體承重結(jié)構(gòu)包括剛架柱梁、支撐系統(tǒng)。主剛架承受了幾乎全部的載荷，相當(dāng)于建筑物的骨架。剛架柱梁根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力狀況一般采用變截面的實腹式截面，做到物盡其用，焊接工字鋼是一種應(yīng)用比較廣泛的實腹式截面。主剛架的支撐系統(tǒng)包括柱間支撐和屋面支撐，一般設(shè)置在同一柱間，形成自下而上穩(wěn)定的抗側(cè)力體系，通過剛性系桿與其他榀剛架相連接，并為其提供側(cè)向支撐，一般使用普通角鋼，也可使用張緊的圓鋼。單跨剛架梁柱節(jié)點可使用剛接，而對于多跨結(jié)構(gòu)大多使用鉸接和剛接并用，多跨結(jié)構(gòu)中間柱的與剛架斜梁的連接有鉸接和剛接兩種，當(dāng)采用鉸接時中柱稱為搖擺柱。圍護(hù)部分包括屋面維護(hù)和墻面維護(hù)，由檁條和壓型鋼板共同組成，檁條通常采用冷彎薄壁型鋼。

3 設(shè)計與計算

3.1 荷載考慮

荷載是進(jìn)行剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，目前使用的標(biāo)準(zhǔn)是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102:2002)，它是中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會編制的，并不是國家規(guī)范，在結(jié)構(gòu)件的承載能力達(dá)到極限時，應(yīng)當(dāng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009 -2012)對荷載效應(yīng)進(jìn)行核算。

一般來說，門式剛架結(jié)構(gòu)的載荷一般包括永久載荷、可變載荷以及偶然載荷。

永久荷載指的是門式剛架結(jié)構(gòu)自身具有的重量，主要包括墻體材料的自重、骨架結(jié)構(gòu)以及支撐系統(tǒng)自重、覆蓋材料自重、門窗和設(shè)備的自重、各種連接件的自重等。

可變荷載指的一般是隨著自然環(huán)境變化或者建筑物使用而產(chǎn)生的可以變化的載荷，包括雪載荷、風(fēng)載荷、屋頂積灰載荷、吊車載荷等。

偶然載荷指的是在使用周期內(nèi)不一定出現(xiàn)，但是如果一旦出現(xiàn)，它造成的載荷是較大但是時間上較短的作用，我們經(jīng)常研究的偶然載荷就是地震載荷。

荷載的取值應(yīng)該客觀全面的反映結(jié)構(gòu)自身的載荷狀況，，是結(jié)構(gòu)計算的依據(jù)，直接影響結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，不能隨意放大，更不能隨意減少或漏項。

3.2 內(nèi)力計算及截面初選

首先應(yīng)當(dāng)確定剛架的跨度、柱距、屋面坡度、檐口高度等幾何尺寸。剛架的跨度可以定義為橫向剛架柱軸線之間的長度，而對于變截面柱其軸線可選取經(jīng)過柱下端的中心的豎直軸線。剛架柱距選取為相鄰剛架橫向軸線間的距離。其高度指的是從柱底到剛架斜梁軸線和柱軸線交點處的長度。

對于變截面的剛架結(jié)構(gòu)必須按照彈性分析方法進(jìn)行內(nèi)力的分析，而對于等截面的結(jié)構(gòu)則可以按照塑性分析方法進(jìn)行分析。通常采用的方法是首先按照一階分析確定剛架的內(nèi)力，然后利用彈性理論計算剛架的計算長度系數(shù)，而把柱當(dāng)作壓彎件、把橫梁當(dāng)作受彎件來計算剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。剛架的彈性法在進(jìn)行內(nèi)力的計算時，主要考慮橫梁以及柱這兩種構(gòu)件，然后利用一般意義上的靜力學(xué)進(jìn)行計算。當(dāng)超靜定結(jié)構(gòu)中載荷到達(dá)一定的載荷時，利用塑性設(shè)計法能夠較好反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實際情況，而且比彈性設(shè)計簡便。計算時應(yīng)當(dāng)按照可能的荷載組合進(jìn)行內(nèi)力的分析，找到最危險機(jī)構(gòu)以及最大的塑性彎矩，與彈性設(shè)計的方法相比，可以更好的發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的延性，而到達(dá)節(jié)省鋼材量的目的，據(jù)統(tǒng)計大約可以節(jié)省鋼材量10%～15%。

在計算時首先確定構(gòu)件的截面尺寸。選取的截面必須滿足構(gòu)件的各板件尺寸滿足基本的構(gòu)造要求，在保證局部和整體穩(wěn)定的前提下確定構(gòu)件的長細(xì)比以及寬厚比。在選擇門式剛架結(jié)構(gòu)的橫梁和柱的截面時，可以參考類似的工程進(jìn)行選取，也可以通過初選截面進(jìn)行。在選擇橫梁的界面高度時，對于實腹式橫梁應(yīng)該選取跨度的1/30 -1/45。剛架柱的截面高度和柱高之比可以選擇為1/12 -1/28，而且必須和橫梁的高度匹配。實腹式剛架梁、柱截面等構(gòu)成板件的結(jié)構(gòu)，其寬度與厚度的比值必須在規(guī)定的范圍之內(nèi)。選取截面大小的時候，應(yīng)當(dāng)使翼緣的面積能夠整體發(fā)揮作用?？紤]到壓彎構(gòu)件其計算過程相對麻煩，我們大多是第一步假設(shè)合適的斷面，然后再進(jìn)行驗算。在進(jìn)行實腹式壓彎構(gòu)件截面設(shè)計時，必須使得構(gòu)件在強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定上符合規(guī)程的要求。第一步根據(jù)壓彎構(gòu)件受力的情況、使用需求以及構(gòu)造需求，得到合適的截面形式。然后在符合局部穩(wěn)定、使用需求以及構(gòu)造需求的前提下，斷面盡量形成輪廓尺寸稍大但是桿件稍薄，使截面尺寸盡可能遠(yuǎn)離斷面中心軸，經(jīng)過如此的過程，對于一樣的截面積可以取得較大的截面慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑，盡可能地發(fā)揮出鋼材的性能從而達(dá)到節(jié)省鋼材的目的，而且應(yīng)使整體穩(wěn)定性比較接近。

3.3 幾何參數(shù)優(yōu)化

實現(xiàn)幾何參數(shù)優(yōu)化有兩種方法。第一種是利用最優(yōu)化理論進(jìn)行分析，把問題歸結(jié)為單目標(biāo)的規(guī)劃問題，目標(biāo)是使用最少的鋼量以節(jié)約成本，達(dá)到設(shè)計條件如結(jié)構(gòu)反應(yīng)等條件的允許范圍;另一種方法是窮舉法，把多種建筑物條件進(jìn)行比較，在滿足設(shè)計要求的前提之下，達(dá)到相應(yīng)柱距和跨度滿足要求而成本低、用鋼少的條件。用鋼量的影響因素主要有結(jié)構(gòu)形式、荷載的大小以及鋼材的性能以及抗震等級、建筑幾何參數(shù)等因素，而幾何參數(shù)一般指的是跨度、建筑坡度以及橫梁變截面的位置。

一般來說，門式剛架跨度選為9 -36m，其中載荷是影響跨度經(jīng)濟(jì)性的重要條件。當(dāng)跨度大于15m 時，隨著跨度增加，尤其是對于單跨剛架，其用鋼量會大幅度增加。當(dāng)跨度不小于18m 時，相比較單跨，雙跨具有明顯的經(jīng)濟(jì)性，因為單跨多由柱頂側(cè)移控制。隨著豎向載荷的增加，總用鋼量增加。當(dāng)跨度一定時，增加跨數(shù)能夠在一定程度上減小橫梁的內(nèi)力從而減小梁截面的尺寸，同時也增加了剛架的側(cè)向剛度，但隨著跨數(shù)的增加，這種減小截面尺寸的作用越來越微弱，而且增加跨度本身增加的剛架柱需要使用鋼材，而且剛架柱的設(shè)置需要考慮到生產(chǎn)工藝和建筑功能需求，其數(shù)目不能過多。通過考慮空間的允許情況，合理的設(shè)置跨度形式，能夠在一定程度上減小鋼材的使用。

建筑頂層的排水情況是考慮建筑坡度的主要因素。當(dāng)建筑的坡面發(fā)生變化時，橫梁的軸力以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)力改變不是特別明顯。文獻(xiàn)［5］對24m 跨的門式剛架進(jìn)行了分析，通過分析指出，當(dāng)坡度減小時，橫梁的長度也會隨之減小，對于鋼材具有節(jié)約作用?？缍认嗤臈l件下，對于中小跨度的剛架更是如此，而且應(yīng)力能夠很接近設(shè)計的強(qiáng)度;隨著坡度的增加，其受力性能更加優(yōu)越，但是其屋面的維護(hù)材料也會隨之增加［6］。一般來說，在不考慮排水的情況之下大跨門式剛架的坡度一般選擇為1:20 或者1:15 較好，能夠達(dá)到在使用較小的鋼材量前提下具有比較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的目的。

由于橫梁內(nèi)力較大，特別是大跨度結(jié)構(gòu)時，一般情況下其用鋼量是要大于柱的，對于橫梁其優(yōu)化，主要考慮變截面的位置、橫梁單元構(gòu)件的高度比以及橫梁大頭小頭高度比、橫梁連接類型等幾個因素。文獻(xiàn)［7］指出，當(dāng)考慮梁端長度時，需要考慮到梁的承載力的要求以及梁段和柱連接點的高度的要求。為利用腹板屈曲后強(qiáng)度，腹板高度變化率不超過60mm/m。梁與中柱采用柱頂平接時，考慮運輸長度的限值(火車運輸要求構(gòu)件長度不大于12m)。此外，文獻(xiàn)［8］則指出，兩段變截面橫梁的截面突變位置一般取在彎距為零處和橫梁中間。對于門式剛架結(jié)構(gòu)采用改變構(gòu)件的截面以減少成本，節(jié)約用鋼量。除了可以變化腹板的高度，還可以根據(jù)實際情況改變厚度，其上下翼緣可以采用不同的截面，相鄰的單元也能夠采用不同的截面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，具有主觀的決策性，想要利用最優(yōu)化理論有一定的難度，還需進(jìn)一步的理論研究。而窮舉法在解決截面的優(yōu)化問題時，多種因素的存在導(dǎo)致計算的次數(shù)呈指數(shù)上升，在構(gòu)件的數(shù)目較多時，需要花費很長的時間。因此，大多采取根據(jù)內(nèi)力大小調(diào)整截面尺寸的方法，這樣可以減少計算次數(shù)，人工干預(yù)截面的優(yōu)化范圍，能夠快速的得到理想的截面尺寸。

此外，在其優(yōu)化的過程中還需考慮到(1)一般來說，門式剛架的最優(yōu)柱距最好處于6～9m 之內(nèi)。(2)隨著剛架的柱高的增加，其用鋼量不斷增加，但柱高的選擇需要考慮到工藝的需求，應(yīng)當(dāng)在滿足工藝需求的情況下盡量減小高度。(3)屋面梁宜采用三段式，其截面可以根據(jù)各段不同的受力情況選取不同的截面，達(dá)到細(xì)分優(yōu)化的目的，一般來說，三段式比兩段式變截面梁節(jié)省鋼材。

3.4 優(yōu)化實例

首先，以一種無吊車輕鋼結(jié)構(gòu)的體系為例。其基本幾何參數(shù)為檐口高度為6m，12m、18m;剛架的跨度為21m、24m、27m、30m、33m、36m;屋面的坡度為1:20;柱距選擇為6m、7m、7.5m、8m、8.5m、9m、9.5sm、10m、12m?？紤]其恒載0.30KN/m3，活載0.30KN/m3，風(fēng)載荷0.30KN/m3，雪載荷0.30KN/m3，懸掛載荷0.30KN/m3。載荷的組合形式選擇為(1)恒載荷加活載荷;(2)風(fēng)載荷加恒載荷;(3)恒載荷加上0.9 倍的風(fēng)載荷以及活載荷;(4)恒載荷加上0.5 倍的活載荷以及地震載荷。通過對用鋼量進(jìn)行計算，可以得出如下結(jié)論:(1)在檐口高度達(dá)到6m、12m 以及18m 的情況下，門式剛架結(jié)構(gòu)其用鋼量隨著柱距的增加呈一種W 型的曲線進(jìn)行變化，在7 -7.5m 以及9 -10m 之間出現(xiàn)兩個極小值點。從這個計算結(jié)果可以看出，對于無吊車輕型剛架房屋其最優(yōu)柱距應(yīng)當(dāng)選擇為7 -8m，但柱距要求大于8m 時，選擇為9 -9.5m較為合適。(2)無吊車輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)房屋的經(jīng)濟(jì)跨度與檐口高度有非常密切的關(guān)系，不同的檐口高度對應(yīng)有不同的經(jīng)濟(jì)跨度。當(dāng)檐口高度為6 米時，對于不同的柱距，從跨度21 米-36 米房屋的單位用鋼量幾乎是單調(diào)遞增的，最小值出現(xiàn)在21 米。當(dāng)檐口高度為12 米時，經(jīng)濟(jì)跨度在24 米-27 米左右。當(dāng)檐口高度為18 米時，經(jīng)濟(jì)跨度在27米-30 米左右。輕型門式剛架鋼結(jié)構(gòu)房屋的單位總用鋼量隨廠房的跨度在變化，但變化趨勢由于檐口高度的不同又有所不同。檐口高度6 米時，在本文討論的跨度范圍內(nèi)，沒有最小值，或者最小值還在較低的跨度范圍，從曲線的變化趨勢看，最小值會出現(xiàn)在18 米-21 米左右。因此從更大范圍討論的話，檐口高度從6 米-12 米，單位用鋼量一跨度曲線都近似為“V”字型，只是隨著檐口高度的增加，經(jīng)濟(jì)跨度向高處攀升，不存在絕對的經(jīng)濟(jì)跨度。了解了這些，有益于確定合理的建筑物方案。

對于圍護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化，這里也有一個實例。簡支屋面的檐口高度6m、8m、12m;屋面的坡度依舊是1:20;柱距選擇為6m、7m、8m、10m、12m。其受到的載荷為恒載0.30KN/m3，活載0.50KN/m3，風(fēng)載荷0.40KN/m3，雪載荷0.25KN/m3。利用軟件對其進(jìn)行計算，通過計算結(jié)果可以得到以下結(jié)論:跨度是決定用鋼量的主要因素，其用鋼量與風(fēng)載荷和跨度有直接的關(guān)系。風(fēng)載荷一定時，其跨度越大，用鋼量也就越大，且隨著跨度的增長有一個快速增加的階段;在跨度為8 -9m 時，其用鋼量相對平穩(wěn)，在達(dá)到9.5m 以后，用鋼量急速上升，在實際設(shè)計中可以作為參考。在風(fēng)載荷大于0.35KN/m3時，通過解決其穩(wěn)定問題，能夠充分利用構(gòu)件的強(qiáng)度，降低用鋼量。

此外，檁條可以設(shè)計成連續(xù)的形式，能夠明顯減少用鋼量。隨著業(yè)主對鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)日益苛刻的要求，多跨連續(xù)檁條已經(jīng)漸漸開始在實際中得到應(yīng)用，從計算模型來說，多跨連續(xù)布置相比單跨簡支布置受力性能更加有利，無疑也節(jié)省了鋼材量，因此多跨連續(xù)檁條是一種更為合理的布置方法，但其比單跨簡支檁條的節(jié)點構(gòu)造要復(fù)雜一些?，F(xiàn)場施工時多跨連續(xù)檁條在支點處一般需要嵌套搭接，搭接長度需要計算確定。對于連續(xù)檁條來說，其支座處彎矩要大于跨中彎矩，而支座處嵌套搭接具有雙檁條的承載能力，使得材料得以充分運用。

［1］范正大.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.中華民居，2014，4:99.

［2］王躍磊.談門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的若干問題［J］.山西建筑，2014，1:40 -41.

［3］高英杰.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，1:10.

［4］賈彪.工業(yè)建筑中輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計淺析［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，10:1.

［5］趙彥革，史鐵龍，穆亞林.變截面門式剛架橫梁的優(yōu)化設(shè)計.［J］建筑科學(xué)，2002，18(1)

［6］汪洋.門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究［D］.浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:59 -60

［7］魏潮文，陳友泉，弓曉云.輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:2 -26

［8］任興平.門式剛架輕鋼房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計.［J］鋼結(jié)構(gòu)，2000，15(4):7 -10.