门式刚架含钢量影响因素及减小含钢量的几点建议-论文网__58期刊

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:147

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　　门式刚架含钢量影响因素及减小含钢量的几点建议
　　施庆国
　　（金湖县建筑设计院有限公司，211600）
　　[摘要]笔者对现阶段门式刚架机构在满足结构安全要求的前提下，如何优化建筑用钢量作了细致的分析。
　　[关键词]门式刚架含钢量优化设计
　　对于结构设计者来讲，建筑结构的安全性，经济性和耐久性将是一个永久的话题。对于目前激烈竞争的市场环境，这个问题尤为突出。各种结构的含钢量作为衡量经济性的一个重要指标，已经受到了各方（主要是业主方）的密切关注。轻型门式刚架结构因为其外观简洁美观，功能适应性强，安全经济等特点已经成为了目前工业建筑的绝对主流结构体系。下面我们详细分析一下门式刚架机构含钢量的影响因素，并在保持安全性的前提下提几点降低结构含钢量的建议。
　　下表为经过大量的工程设计实例归纳总结出的门式刚架含钢量统计表（单位kg/m2）
　　跨度18 24 27 30
　　柱距6 7.5 9 6 7.5 9 6 7.5 9 6 7.5 9
　　无吊车13.3 11.5 10.2 14.4 11.7 10.8 14.5 12.2 11.2 14.9 13.0 12
　　两台5吨吊车16.2 13.4 10.9 15.1 11.9 11.5 15.5 13.2 12.3 23.1 15.2 11.8
　　注：材质为Q345钢材,有吊车时柱脚固接
　　 通过对上表的比较分析可以得到以下的一些结论
　　第一部分各种因素对结构含钢量的影响
　　1跨度对含钢量的影响
　　单纯从上表数据分析，我们会发现，跨度每增大三米门式刚架结构的含钢量就会增加1Kg/M2左右。实际上如果跨度超过36m后，屋面的刚度问题就变得比较重要了，刚度逐渐起了控制作用，另外由于超过了门规规程规定的范围，结构的支撑系统应该做强，此时的梁截面高度往往超过了一米，为了增强屋面系统的纵向刚度，在檐口和屋脊处应增加纵向支撑。此时系杆通过屋面檩条充当将不再适合，隅撑断面也需要通过计算求得。跨度超过五十米时，个人认为隅撑的作用将不再可靠，应通过增加下弦支撑来保证。此时结构含钢量的变化将快速增加。实际上，工程界普遍认为，跨度超过40m以上时门刚结构的含钢量就不再占优了。单从跨度上看屋盖部分含钢量，好像18米的跨度最合适，但实际上，18m跨度的厂房比较少见，主要原因在于维护墙体上，墙体的造价不随跨度变化，而分摊到厂房每平方米的造价却随跨度增大而呈线性减小。对于单跨厂房来讲，18m跨墙体造价所占比重过大，显然是不经济的，27m，30m都是比较合适的。当36m时，跨度增大产生的结构含钢量增长过快，优势就不大明显了，甚至是不经济的，所以应尽量改用多跨。当然工艺布置对跨度影响最大，如果是仓储等工艺对跨度影响不是特别大时，还是应尽量采用较经济的跨度。
　　2柱距对结构含钢量的影响
　　从上表数据表明：门式刚架柱距每增大一点五米，主构架含钢量减少1kg/m2左右，维护结构增加含钢量1~3kg/m2（简支檩条，对连续檩条增长并不明显）。这样我们往往可以通过增大柱距，采用连续檩条来减少结构含钢量。
　　3多跨对含钢量的影响
　　对于相同面积的厂房，双跨厂房比两个独立的单跨厂房省掉一排柱子，另外由于中柱在竖向荷载作用下左右弯距平衡，中柱截面要远小于单跨的边柱截面。由于可以采用摇摆柱这种特别的形式（摇摆柱仅由轴力控制，或者讲是由长细比控制），中柱的截面可以做得很小。对于梁来讲，正负弯距更加平衡，中间段梁的负弯距会比一般单跨梁柱连接时的梁端弯距大一些，但综合来讲更加合理。对于维护结构，少了两面墙体，经济效益是十分显著的。
　　4抽柱对含钢量的影响
　　厂房中抽柱，有两种情况：一种是局部抽柱，一种是为了扩大#p#副标题#e#柱网。扩大柱网的厂房，主构架不难处理，难处理的是次结构，因为所谓扩大后的柱网，柱距至少为十二米，由于冷弯檩条目前并没有合适的拼接节点。所以只能采用型钢充当檩条。次结构含钢量攀升的较快（主要原因一般是挠度控制）。实践中对扩大柱网一般有两种处理方法：一种是直接采用大柱距，一种是采用托架的方法。
　　下面我们采用一个实例来比较一下：24米双跨厂房，柱距7.5米,抽柱后综合柱距加大到15米。处理方案一：采用托梁结构，屋面仍同一般情况。这样少了根中柱，增加一根托梁，其他的中柱略有增大。由于托梁有一定的刚度要求，对整个结构来讲，含钢量增加了2~3kg/m2。值得注意的是我们此处的托梁不同于屋架的托梁，这是因为屋架支座为简支，对支座的下沉并不敏感，而门架为连续梁，支座下沉时会在刚架中产生内力重分布，弯距往往会有10%左右的变化。当然这是在托架满足1/400的挠度要求后的数据，如果挠度过大，弯距就会有更大的变化。同时原来梁满足挠度要求，当在支座下沉的基础上就很有可能不满足，这些都是设计应该注意的。处理方案二：增大柱距，采用桁架檩条，可采用冷弯型钢为弦腹杆的檩条，制作比较费工，加上要增加一定的支撑系统。安装也增大了一定的难度。檩条含钢量7.5kg/m2，主构架由于柱距加大，含钢量减小为9kg/m2，整体含钢量比不抽柱情况时略小一点。但桁架檩条单价比较高，并不是所有的钢结构厂都有制作和安装这种檩条的能力。并且由于钢架本身的荷载增强，对24m跨结构影响还小些，跨度再大往往刚架就会变成挠度控制，支撑系统也就变得更重要，需要加强。
　　综合讲，方案一操作上更强一些，需正视的一点是，抽柱的含钢量攀升得虽然比较多，如果对工艺有利的话，倒是种趋势。除了以上两种方案外，檩条也可采用连续的薄壁焊接H型钢，这种型钢本身的截面优势很强并不比冷弯檩条费，具有更大的惯性距。当采用简支时，一般以挠度控制，不经济，而当采用连续时，连接节点往往会阻碍屋面板的安装，故值得商榷。
　　5采用混凝土柱对含钢量的影响
　　对混凝土柱+钢梁这种结构来讲，规范中没有提到这种形式，但是在一些地区却大量的存在。存在就有着一定的合理性，混凝土抗压性好适合做柱，钢材强度高，适合做梁。刚开始由于设计安装理论的不太成熟以及实际操作中的不懂行，事故率较高。此种结构应当按排架结构设计，对于大跨度结构应当慎用。
　　6荷载对含钢量的影响
　　门式刚架这种结构是种古老的结构形式，只是由于冷弯薄壁型钢理论和考虑腹板的屈屈后强度，以及楔型构件的强度理论，才重新焕发出新的光彩的。但这一切都基于压型钢板和冷弯檩条形成的轻型屋盖系统，当屋面荷载过大时，门式刚架就会失去优势。我个人认为，如果门架很大程度都不是强度控制，而需要刚度控制时再采用这种结构形式就不再合理了。经过大量的计算发现在常规荷载下，30米跨9米柱距时，会出现强度和刚度同时控制的局面。而在此之下的组合例如27米跨10.5m柱距都将是以强度控制为主的。
　　7吊车对含钢量的影响
　　对于大部分的轻工业厂房，使用吊车的吨位大多集中在5吨左右。由于在采用吊车的厂房中，钢构的柱脚往往采用刚接，虽然基础较难处理但是钢结构的含钢量却大为减少。这样就造成虽然增加了两台5吨的吊车，厂房主构架的含钢量基本持平，或稍有增加，一般增幅为0～1kg/m2。
　　第二部分设计优化的一些建议
　　1对于一般的结构来讲，通常是在满足平面外稳定的情况下，截面越高惯性矩越大，应力越小，而门式刚架由于考虑了腹板屈曲后强度，故所允许的高厚比可以达到250。计算内力时考虑了有效截面的概念往往在达到一定高度以后，一味的加高截面，材料利用率就会大打折扣，所以一味的加高截面并不是好的办法。中段等部位的梁截面往#p#副标题#e#往很小，但必须与楔形截面的小端截面一致，楔形截面小段截面过小，又会造成由于楔率的原因使得楔形截面过长，一方面不经济，另一方面使拼接节点处于受力较大的位置，拼接节点复杂而且费钱。由于优化中可变的因素较多，个人认为合适的优化流程应为在已优化好的模型基础上再进行调整。在精力允许的情况下，建议对常见的跨度，荷载情况建立初始优化模型库。
　　2不同部位采用不同的计算假定，由于门式钢架的平面外计算长度一般以隅撑的间距为准，这样我们只把楔形部分隅撑设为1.5m一个，这样可以在较少增加隅撑的情况下有效地减小计算长度。这主要是因为，梁柱相交部分弯距很大，梁下端受压巨大，通过隅撑保证上下翼缘稳定，中部的隅撑只在风吸力时才起作用，弯距不大。这个部位的梁一般3m一个隅撑就能满足。
　　3在常规荷载情况下，在合适的跨度范围内，可以考虑采用檩条充当系杆，这样可以有效降低支撑的用钢量，当柱距较大时可采用双檩条充当系杆。
　　4在进行结构计算时，应采用空间辅助设计软件，建立空间模型，可以较精确地进行结构分析计算，完成屋面支撑及多个纵横榀支撑体系与抗风柱体系设计，各构件可以得到跟真实受力相一致的合理布置，用钢量也可以适当有所下降。
　　第三部分结语
　　一般来讲，跨度越大含钢量越高，柱距越大含钢量越小，含钢量对屋面荷载敏感；通过调整截面，使各部分应力比均衡，满足应力设计往往能够使结构的含钢量最优；尽量减小构件的平面外计算长度以及使用适度的合理构造等方法均是降低含钢量的有效方法。门式刚架只在其适用范围内才能显示出其优点，超过其适用范围就可能给工程带来安全隐患，故应精心设计，认真施工。
　　参考文献
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