門式剛架鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置的經(jīng)濟(jì)性研究

黃 聰

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東廣州 511300)

1 概述

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是一種很常見的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如其重量輕、用鋼量少、造價(jià)低、施工速度快、生產(chǎn)周期縮短、適用范圍廣等，近年來這種結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。用鋼量的多少是衡量門式剛架廠房經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵指標(biāo)，在安全性的基礎(chǔ)上如何降低用鋼量，是在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要問題。門式輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱距、跨度、次構(gòu)件、鋼材類型等因素對其經(jīng)濟(jì)性都有影響，其中柱距的影響最大。本文結(jié)合工程實(shí)例，僅考慮在其他因素相同或相近的情況下，通過PKPM軟件分析不同柱距對用鋼量的影響，進(jìn)而得到該工程的最優(yōu)柱距。

2 在門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中柱距對其經(jīng)濟(jì)性的影響

在門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中，首先要根據(jù)建筑功能和使用要求進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置，然后進(jìn)一步考慮其經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)踐工程中，基于輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可方便地按任意尺寸生產(chǎn)，輕質(zhì)屋(墻)面材料可靈活施工，因此門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的材料生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)施工能夠做到量體裁衣，這就方便降低整個(gè)工程造價(jià)。故如何選取跨度和柱距，很值得研究。CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中建議跨度采用9 m～36 m，柱距采用6 m～9 m。由于對于一個(gè)特定的實(shí)際工程，其跨度已給定，過去通常取3 m為柱距模數(shù)，工程中經(jīng)常用3 m，6 m，9 m，12 m等，這實(shí)際上是參考了預(yù)制鋼筋混凝土工業(yè)廠房的模數(shù)制。但是考慮到綜合經(jīng)濟(jì)性，合理的柱距對工程的實(shí)際造價(jià)影響很大。理由是:對于任何一項(xiàng)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)工程而言，其設(shè)計(jì)用鋼量的多少是判斷設(shè)計(jì)是否合理的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，而柱距的大小直接影響了設(shè)計(jì)用鋼量。柱距的增加可能會增加單榀剛架及檁條的截面面積，但是對一定結(jié)構(gòu)面積而言，柱距增加的同時(shí)鋼架總榀數(shù)減少了，最終也可能使主鋼用量降低。故對一個(gè)特定的門式剛架房屋，必然存在一個(gè)最優(yōu)的柱距及一個(gè)最優(yōu)柱距范圍。

成都市某器材車間廠房長90 m，寬27 m。基本風(fēng)壓:0．3 kN/m2，基本雪壓:0．1 kN/m2。筆者以柱距為變量，采用PKPM鋼結(jié)構(gòu)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對其用鋼量隨柱距的變化情況作了比較，主要考慮柱距為:5 m，6 m，7．5 m，9 m，10 m。在設(shè)計(jì)中采用了以下參數(shù):鋼材:Q235-B．F鋼，結(jié)構(gòu)形式為單跨鉸接門式剛架(如圖1所示)，檐高:7．5 m，不考慮地震作用，無吊車。

通過模型的輸入，得到了上述五種柱距情況下廠房單方用鋼量的結(jié)果，如圖2所示。從圖2中可以看到:1)隨著柱距的增加，用鋼量是先降低后增加;2)柱距小于6 m時(shí)，隨著柱距的增加用鋼量降低的速度較快，之后趨于平緩;3)柱距7．5 m～9 m之間用鋼量的增幅平緩，之后增加的速度較快。故可得出對于該工程，最優(yōu)柱距范圍是6 m～9 m，考慮到工藝要求，最優(yōu)柱距為7．5 m。

圖1 門式剛架計(jì)算簡圖

圖2 單方用鋼量與柱距的關(guān)系

3 結(jié)語

通過該模型得到的數(shù)據(jù)僅是針對特定工程的實(shí)際情況，對門式剛架廠房的單方用鋼量與柱距的關(guān)系所作的討論，對不同的工程此值是不同的。一般來說可總結(jié)如下:1)對于門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系而言，剛架用鋼量占主要部分，特別是在跨度較小的情況下，剛架用鋼量可能占總用鋼量的一半以上，而其他構(gòu)件的用鋼量，包括墻架梁、屋面支撐、柱間支撐等，其用鋼量通常只占較小比例，因此，剛架的合理設(shè)計(jì)對降低總用鋼量具有十分重要的作用。2)隨著柱距的增大，作為整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)主要用鋼量的剛架，其用鋼量比率是先逐漸下降，且下降的幅度隨柱距的增加逐漸趨于平緩。3)隨著柱距的增大，其他構(gòu)件的用鋼量會增加，而且增加的幅度較大，尤其是吊車梁，當(dāng)柱距較大時(shí)必須采用格構(gòu)式，其用鋼量逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，并有可能會超過剛架的用鋼量。其次對于檁條而言有長細(xì)比的要求，其用鋼量增加的也較快。4)對整個(gè)單層廠房上部結(jié)構(gòu)，隨著柱距的增加其總用鋼量是先減少后增加的。因此，對用鋼量指標(biāo)而言，是存在一個(gè)最優(yōu)柱距的。

本文尚未考慮主鋼和次鋼的單價(jià)不同，僅從總用鋼量這一點(diǎn)得到的最優(yōu)柱距;其次，影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的因素諸多，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮;最后，鑒于結(jié)構(gòu)的材料生產(chǎn)和施工特點(diǎn)，為促進(jìn)工業(yè)化定型生產(chǎn)，建議門式剛架的柱距模數(shù)取1 m或1．5 m。

［1］CECS 102:2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［2］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編寫組．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［3］任興平．門式剛架輕鋼房屋的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2000(4):44-48．

［4］馬琳琳．門式剛架輕鋼房屋優(yōu)化設(shè)計(jì)探討［J］．山西建筑，2004，30(19):41-42．