門式剛架輕型房屋鋼結構的優化設計

楊奉輝

摘要 著重從門式剛架的跨度，柱距，力學模型，節點連接4個方面對此類結構的優化設計進行了較為詳細的探討

關鍵詞 門式剛架 輕型房屋 設計要點

中圖分類號：TU391文獻標識碼： A

門式剛架作為一種房屋結構形式，用途十分廣泛，許多國家如英，美，日，澳大利亞等國家已作為一種經濟快捷的建筑結構體系，以商品的形式出售。近些年來，隨著我國彩色鋼板產量的增加和焊接H型鋼的出現，門式剛架輕型房屋結構在我國大量涌現。據資料統計，我國每年僅新建和在建的鋼結構工業民用建筑物就達到：高層鋼結構約150多萬平米，重型工業廠房約1000多萬平方米，門式剛架輕型廠房約1000多萬平米，其他的還有很多的空間網架，空間桁架等鋼結構建筑物也被大量的建造。不僅國外的輕鋼生產廠家紛紛推向我國市場，國內的鋼結構生產廠家和設計單位也紛紛轉入此類結構的設計與生產。由此可見，對門式鋼架輕型房屋結構進行優化設計，使其達到標準化，規范化，通用化，經濟化勢在必行，筆者通過多年的設計，提出了優化設計應從以下幾方面著手考慮，供同行們參考。

1 合理跨度的選擇

不同的生產工藝流程和使用功能在很大程度上決定著廠房的跨度，有的業主甚至要求輕鋼生產廠家根據自己的使用功能，確定較為經濟的跨度，在盡可能滿足生產工藝和使用功能的基礎上，應根據房屋的高度確定較為合理的跨度。一般情況下，當柱高，荷載一定時，適當加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節省空間，基礎造價低，綜合效益較為可觀。通過大量計算發現當檐高為6米，柱距為7.5米，荷載情況完全一致情況下（恒載0.4KN/平方米，活載0.5KN/平方米，吊掛荷載0.2KN/平方米，基本風壓0.4KN/平方米，無吊車），跨度18-48米之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為18-35KG/平方米，當檐高為12米時（其他情況同上），跨度18-48米之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為25-40KG/平方米，當檐高超過18米時，宜多采用多跨剛架（中間設置搖擺柱，其用鋼量較單跨剛架節約16.7%左右，因此，設計者應根據具體的要求在選擇方案時選擇較為經濟的跨度，不宜盲目追求大跨度。

2 剛架最優間距的確定

剛架的間距與剛架的跨度，屋面荷載，檁條形式等因素有關，在剛架跨度較小的情況下，選用較大的剛架間距，增加檁條的用鋼量是不經濟的，因此，從綜合經濟的角度看，確定合理的柱距才能既節約鋼材，又使設計真正做到定型化，專門化，標準化以及輕型化，從而推動門式剛架輕鋼房屋結構體系在我國的發展。經過大量計算，筆者發現：隨著柱距的增大，剛架用鋼量比例是逐漸下降的，但當柱距增大到一定數值后，剛架用鋼量隨著柱距的增大下降的幅度較為平緩。而其他如檁條，吊車梁，墻梁的用鋼量隨著柱距的增大而增大，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降而后又上升。綜合各項用鋼量表明，對一定條件下的輕鋼房屋而言存在一最優柱距。表1所列即為一般情況下，柱高為6米，各種跨度對應的剛架最優間距。

表一 相同條件下各種跨度對應的最優剛架間距

跨度/m 最優間距/m

9-12 5.5左右

12-18 6左右

18-36 6-7.5

36-45 1/5-1/6跨度

45以上 8-9

綜合表1所示，一般情況下，門式剛架的最優間距應在6-9米之間，柱距不宜超過9米，超過9米時，屋面檁條與墻架體系的用鋼量增加太多，綜合造價并不經濟。

3 確定科學的結構力學模型

輕型門式剛架的形式多種多樣，柱腳與基礎通常做成鉸接，多跨剛架的中柱多采用搖擺柱。但當柱高度較大時，為控制風荷載作用下的柱頂位移值，柱腳宜做成剛接，多跨剛架的中柱與橫梁的連接也宜采用剛接，多跨剛架宜做成多坡較為節省鋼材。

門式剛架一般采用實腹式變截面梁和柱，柱通常為楔形桿件，橫梁通常做成加腋梁，加腋長度一般取跨度的1/6-1/5較為經濟，楔形柱的最大高度取最小截面高度的2-3倍為最優截面。

門式剛架腹板主要以抗剪為主，翼緣以抗彎為主，在無振動荷載作用下，可充分利用腹板屈曲后強度分析構件的強度和穩定性，將構件設計成為高而窄的截面形式（最小截面高度比一般為3-5），構件的平面穩定可通過設置隅撐來保證，為使結構具有可靠的整體穩定性，縱向通常設置由十字交叉圓鋼組成的豎向支撐及屋面橫向水平支撐，同時，當屋面與檁條連接可靠時，可利用型鋼檁條兼作剛性系桿。

在有條件時，檁條可設計成連續檁條，檁條平面外應根據具體情況設置拉條。

4梁柱連接節點

門式鋼架斜梁與柱的連接，可采用端板橫放，端板豎放和端板斜放三種形式。端板豎放適用于局部等截面柱。當豎向荷載起控制作用時，將端板橫放可以減少節點的設計剪力，同時充分利用柱的壓力對節點受力的有利作用。如果節點彎矩很大，可采用端板斜放形式，加長抗彎連接的力臂，有利于布置螺栓。端板拼接連接形式有外伸式和平齊式兩種形式，端板外伸式節點受力合理，承載力高于平齊式節點，因此應盡量使用外伸式端板連接，同時應在節點板外伸部分設置加勁肋，使靠近受拉翼緣兩側的螺栓受力均勻，接近一致，提高節點的抗剪能力，有效減少節點板的變形。

5 結語

以上針對門式剛架輕鋼房屋結構的特點，對其結構體系的優化設計從四個方面做個簡單介紹。實際上，對此類結構進行優化設計應考慮的因素還有許多，如蒙皮效應，空間協同作用等，在此不再一一討論。

參考文獻

1.張運田 輕型鋼結構的運用和發展 見：建設部國家冶金工業局建筑用鋼技術協調組。我國建筑鋼結構的現狀與發展論文集。北京：2005.5

2.CECS 102:2002 門式剛架輕型房屋結構技術規程。中國計劃出版社 2003

3.胡寶琳等，輕型鋼結構廠房的設計與研究，鋼結構2004（5）

作者簡介：楊奉輝 男 1980年1月生 工學學士