門式剛架優(yōu)化設(shè)計(jì)的淺析

莫 偉 雷新海

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司 524000）

引言

門式剛架結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)廠房中應(yīng)用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)形式，主要應(yīng)用于工業(yè)廠房、倉儲庫房中。門式剛架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個系統(tǒng)優(yōu)化，也就是在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足各類約束條件，將理論知識與實(shí)際結(jié)合在一起，在可允許的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)和其他約束條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，達(dá)到“質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉”的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對門式剛架的應(yīng)用有著十分重要的應(yīng)用意義。

1 門式剛架概述

門式剛架上部架構(gòu)涵蓋了支撐、剛架柱、斜梁等，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)具有受力簡單、傳力途徑明確、構(gòu)件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用設(shè)施中。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了很多輕鋼結(jié)構(gòu)建筑，并且已經(jīng)有一批優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員成長起來。國內(nèi)在軟件設(shè)計(jì)方面也更加成熟，如PKPM、3D3S、YJK等軟件，國內(nèi)的這幾種軟件均涵蓋了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，滿足各種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使利用同一個軟件時(shí)，不同設(shè)計(jì)人員也會得到不同的設(shè)計(jì)成果。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員對于工程的理解、軟件的利用、經(jīng)驗(yàn)不同引起的。設(shè)計(jì)結(jié)果將會直接決定工程含鋼量、工程造價(jià)，因此工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要求能夠符合相關(guān)規(guī)定，保證安全，還需要在滿足相關(guān)要求基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，最大程度降低工程造價(jià)，降低含金量，保證工程經(jīng)濟(jì)合理，因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要逐步優(yōu)化整個設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型

門式剛架的結(jié)構(gòu)形式按跨度可分為單跨、多跨，按屋面坡脊數(shù)可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。

合理選擇結(jié)構(gòu)形式，包括合理選擇柱距、跨度、屋面坡度等至關(guān)重要。首先，柱距是需要首先考慮的因素，對鋼量有著重大影響。統(tǒng)計(jì)資料顯示，當(dāng)前工程設(shè)計(jì)中柱距一般在6～9m，總用鋼量沒有什么太大變化。如果柱距小于6m，鋼用量將會隨著柱距增加而逐漸下降，柱距超過9m后，用鋼量將會與吊車梁、支撐等因素有關(guān)，這類構(gòu)件增加，用鋼量也會相應(yīng)的增加。柱距和跨度首先應(yīng)滿足工藝布置的要求。當(dāng)工藝無特別要求時(shí)，柱距應(yīng)以6～9m為宜。有吊車及較大屋面吊掛荷載的廠房，柱距宜接近6m；無吊車及屋面吊掛荷載的廠房，柱距宜接近9m。具體工程應(yīng)通過結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的試算比較來最終確定。門式剛架跨度宜采用9～36m，當(dāng)邊柱寬度不等時(shí)，其外側(cè)應(yīng)對齊。屋面坡度一般以5～10%為宜，沿海多雨地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增大坡度。

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB51022-2015）頒布后，門式剛架跨度可以擴(kuò)大至48m；吊車噸位較大，跨度可以控制在24～36m，噸位較小時(shí)最為合理的跨度為18～24m?？缍葘τ娩摿康挠绊懖煌鲆暎诠こ讨?，影響跨度的因素有很多，其中荷載是主要因素之一，荷載越大，跨度對用鋼量的影響就越大。

2.2 選擇材質(zhì)

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用的鋼材質(zhì)為Q235B、Q345B鋼。這兩種鋼強(qiáng)度也存在一定的差異，與Q235鋼相比而言，Q345鋼的強(qiáng)度更高。在應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目需求合理選擇：

（1）結(jié)合結(jié)構(gòu)情況合理選擇構(gòu)件。工程規(guī)模小、構(gòu)件截面小，可以選擇Q235B鋼；大型結(jié)構(gòu)可以采用Q345B鋼，充分發(fā)揮出這種鋼材質(zhì)的強(qiáng)度高優(yōu)勢。Q345B鋼材與Q235B鋼材相比，前者的強(qiáng)度要高于后者，如果結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度指標(biāo)控制，則在相同的工程中，可以優(yōu)先考慮Q345B鋼材，這類鋼材結(jié)構(gòu)更輕；若結(jié)構(gòu)主要為構(gòu)造，比如長細(xì)比指標(biāo)控制，則選擇Q235B更為經(jīng)濟(jì)。因此在鋼材的應(yīng)用中，需要同時(shí)考慮到不同材質(zhì)的價(jià)格和含鋼量，綜合考慮，在滿足相關(guān)要求基礎(chǔ)上選擇材質(zhì)更好的鋼材。

（2）從鋼材市場的供貨情況看，市場中的鋼材規(guī)格和品種并不是全部齊備的，如果在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)所采用的鋼材質(zhì)在當(dāng)?shù)厥袌鲋袩o法得到，就需要到其他區(qū)域購買，這就增加了運(yùn)輸費(fèi)用，引起施工成本增加。因此在設(shè)計(jì)中需要充分考慮特定時(shí)間下當(dāng)?shù)劁摬氖袌霾馁|(zhì)，合理設(shè)計(jì)，避免非常規(guī)鋼材的應(yīng)用。

2.3 綜合優(yōu)化

根據(jù)建筑參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，國內(nèi)常用的設(shè)計(jì)軟件PKPM、3D3S都可以計(jì)算解耦股，在調(diào)整界面尺寸方面也較為便捷，因此在綜合優(yōu)化中可以利用這類軟件來實(shí)施。

（1）調(diào)整柱、梁腹板、翼緣的等的尺寸、規(guī)格等參數(shù)中，應(yīng)結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定要求，滿足梁平面內(nèi)、外的穩(wěn)定應(yīng)力比及長細(xì)比規(guī)定要求。

（2）結(jié)合柱、梁構(gòu)件的強(qiáng)度、抗彎承載力比值來確定截面尺寸，充分考慮腹板高厚比、翼緣寬厚比，防止局部失穩(wěn)。

（3）注重結(jié)構(gòu)計(jì)算的同時(shí)，也要重視結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)體系的完整，充分考慮結(jié)構(gòu)支撐體系的布置與設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

優(yōu)化不是一味的強(qiáng)調(diào)用鋼量最少，優(yōu)化必須以結(jié)構(gòu)安全、體系合理為前提。門式剛架的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于一個系統(tǒng)的功能，影響因素有很多，設(shè)計(jì)人員對門式剛架的理解能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力以及專業(yè)素質(zhì)能力都會影響到優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，只有綜合考慮這些因素，才能夠達(dá)到滿意的優(yōu)化效果，保證截面優(yōu)化達(dá)到最佳。