門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房經(jīng)濟(jì)合理柱距的研究

沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168

摘要：門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于無重型起吊設(shè)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(guān)，其中以柱距影響為甚。

關(guān)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(yīng)用相當(dāng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(jì)建設(shè)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(jià)低，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛的應(yīng)用。但是，由于我國目前還沒有相應(yīng)的輕鋼設(shè)計(jì)規(guī)范。大部分設(shè)計(jì)仍沿用現(xiàn)行的普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，使得設(shè)計(jì)用鋼量指標(biāo)高攀不下，或在沒有充分理論依據(jù)的情況下，憑經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化、專門化，只有從研究經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shè)計(jì)計(jì)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(jì)合理柱距進(jìn)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(biāo)高12m，軌頂標(biāo)高9m，屋面建筑標(biāo)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(jì)算主鋼架時(shí)O.3KN/m2，計(jì)算屋面檁條時(shí)O.5KN/m2；風(fēng)荷載以0.35KN/m2為基本風(fēng)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(shè)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(tái)10T，A5工作制吊車：各開間柱距相等。計(jì)算中對于不同柱距下的單榀剛架應(yīng)盡量滿足相同位置的梁柱應(yīng)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(tuán)生產(chǎn)的DQQD型10T吊鉤橋式起重機(jī)。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(shí)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(shí)腹式等截面，無制動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.1.4墻梁檁條等圍護(hù)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。考慮拉條、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(yàn)，并參照《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南（實(shí)例與圖集）》內(nèi)容：端跨相鄰的中間跨按15%L，其余5%L進(jìn)行計(jì)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(jì)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(diǎn)等，耗材最多，直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。為客觀比較不同柱距下的主鋼架用鋼量，控制主要應(yīng)力比在O.8—0.95之間，結(jié)果如圖1所示。

計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)中起重要作用。

3.3檁條和墻梁用鋼量

控制主要應(yīng)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(yīng)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(diǎn)。

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(jià)不同，總鋼量與柱距關(guān)系曲線的最低點(diǎn)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(shí)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(guān)系。實(shí)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(gè)參數(shù)的改變或?qū)⒁鹂傆娩摿繕O值點(diǎn)的移動(dòng)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮其他因素，得到有實(shí)際工程意義的最優(yōu)柱距。

參考文獻(xiàn)：

[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(shè)計(jì).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(jì)尺寸與優(yōu)化初設(shè)計(jì).鋼結(jié)構(gòu)，2003，18（1）：32-34.