輕型鋼結構門式剛架優化設計探析

【摘要】目前，我們使用的PKPM系列軟件中的STS模塊已經在輕型鋼結構門式剛架分析計算、節點分析、圖紙繪制等方面發揮著積極的作用。本文主要針對輕型鋼結構門式剛架優化設計進行探討、分析，使將來的門式剛架更加標準、規范、經濟、通用。

【關鍵詞】輕型鋼結構；門式剛架體系；優化設計；探討分析

所謂的輕型鋼結構是指當下以冷彎薄壁型鋼材、輕型的焊接型鋼材、輕型熱壓型鋼材等各種輕型材料進行構建的拼接與整合所形成的構件集合。輕型鋼結構門式剛架是輕型鋼結構的主體部分，憑借著剛度比較大、重量相對比較輕、施工靈活性強、擴建方式多等優點得到了廣泛的應用。主要施工于各種多層的工業性廠房、大型的超級市場、人口比較密集的車站候車室、比較大型的港口碼頭。在實際的施工作業時，我們經常會受到工作量度與施工工期的限制，這就要求我們在進行鋼結構門式剛架的設計中做到最優化，克服必要的因素，發揮鋼結構門式剛架的最大效能。

一、輕型鋼結構門式剛架的優化設計分析

（一）根據結構形式與跨度，確定最佳的鋼材用量

門式剛架分多種結構形式，比較常見的就有單跨式、多跨式與雙跨式。根據屋脊數又可以分為多脊雙坡度與單屋脊雙坡度等兩種形式。多屋脊雙破一般通過內天溝的形式進行排水，而這種排水方式又存在著鋼材用量比較大、排水系統設置比較繁瑣、后期陰雨天滴漏現象嚴重等弊端，因此建議在施工時選擇門式剛架的外掛彩板天溝進行積水的排放。房屋具體的高度要結合具體的使用要求與現有的生產條件進行分析確定。房屋的高度對應一定的跨度。一般情況下，在柱高與承載力一定的條件下，跨度與用鋼量沒有明顯的影響關系，并不是當跨度加大，鋼材的用量就會增加，但是反過來說，當跨度適當增加后多出了更多的有效使用空間，整個工程的造價也比較低。通過特有的跨度計算公式，我們發現在進行跨度設計時要考慮兩種情況，一種是無吊車的輕型門式剛架，其用鋼材量與跨度之間存在正比關系，一種是有吊車的門式剛架很難單一的說正比或者是反比關系，要具體情況具體分析，每個跨度都對應一個確定的鋼材用量。

（二）門式剛架之間距離的確定

在進行門式剛架的施工與安裝時需要進行門式剛架間隔距離的前期計算。這些間隔距離影響到門式剛架的設計優劣。我們應當明確耗鋼量是評價門式剛架設計優劣的第一指標，因此我們要盡量將柱子間的距離控制在一個合理的范圍內。在屋面材料的選擇上我們盡量選擇那種輕質型的屋面材料，墻面材料同樣以輕質為主，輕質材料的選擇一方面方便運輸與施工，一方面可以減少造價。在進行門式剛架的柱間距離確定時一定要綜合考慮鋼架的跨度，屋面的最大承載力等。柱子間距的增大，跨度也會相應的加大，鋼材用量也會遞增。大量的實驗數據表明，門式剛架的最佳柱距是6——9m，其中7.5m可以實現最好的經濟與建筑效果。

（三）輕型鋼結構門式剛架的連接方式確定

在進行門式剛架的柱腳與基礎焊接時選擇鉸接，采用鉸接可以減少基礎變形，在沒有吊車的情況下，鉸接的柱腳比剛接的柱腳更為牢固、安全。在多跨度的門式剛架中選擇鉸接的方式可以簡化基礎設計，在簡化的同時保持經濟實惠性。在輕型鋼結構的門式剛架中縱向的壓力是比較小的，因此能夠承受的彎矩也是比較大的，這樣使得鋼結構的上部分產生較大的偏心距離，弱化了彎矩的影響，基礎部分只承受軸力，基礎設計相應變小，節約成本。但是有一種情況是不適合鉸接的，那就是針對柱子高度在12m以上的門式剛架，此時如果依然采用鉸接，梁與柱的截面就會產生比較大的撓度，需要調整截面才能保證柱頂的位移在極限以內，這樣的情況下選擇剛接是比較經濟的。

（四）截面的最優化確定

門式剛架采用的是實心的梁和柱，截面經常會隨著內力的變化產生移動，而截面尺寸的確定主要依據梁和柱產生的撓度。無吊車的輕型鋼結構房屋可以通過調整截面關系來實現成本的降低，當變形直接作用于鋼架的截面，我們通過調整橫梁連接截面與架子相接的地方，進行最小鋼材量的計算。我們用到數學上的窮竭法進行截面最優化的計算。采用這種辦法可以減少整體的計算量，可以干預截面的范圍，可以確定截面的最佳面積，在將構建設計成比較窄高的截面時，跨度要改為截面高度的45——60倍作用，截面的高度是寬度的3倍，這樣通過數學方法完成了截面的最優化面積確定。

（五）梁與柱之間節點的最優化控制

輕型鋼結構門式剛架在梁與柱子之間存在著諸多的節點，這些節點一般采用端板進行彼此連接。端板分為豎放、斜放與平放三種擺放方式，我們在進行梁與柱之間節點優化設計時要運用力學上的相關知識，通過一定的受力分析，考慮到端板之間的平齊式連接剛度是最小的，這樣的情況是很難滿足節點的安全設計需要的，如果采用豎放，產生較大的內力，節點處的剪力與彎矩就會比較大，變形的可能性增加，相比較說來，平放產生的壓力大，剪力小，對于節點的牢固是十分有好處的。因此在實際的施工中，我們要盡可能的選擇端板的豎放外伸與端板平放形式，能最大限度的減少結構的變形。

結束語：通過本文的分析，實現輕型鋼結構門式剛架的優化設計是一項比較復雜的工程，但是在實際的施工中依然總結出很多經驗性的施工方式與注意事項，對于今后的門式剛架結構施工具有很好的借鑒意義。輕型鋼結構的門式剛架的優化設計分析涉及的方面很廣，除了整體造價的控制外，我們還需要充分考慮到其他現實存在的客觀制約因素，對于這些因素在施工初期，我們就要進行疑難的對癥下藥，提出切實性的施工建議，作為輕型鋼結構門式剛架的分析、研究人員，應該在總結分析現有鋼結構門式剛架施工經驗的基礎上，學會總結，積極創新思路，推動我國輕型鋼結構門式剛架應用技術的改造，服務于我國的施工建設。

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作者簡介：吳健秋（1981.08.02 ），男，漢族，四川省射洪縣人，研究生學歷，碩士學位，現為工程師，主要研究：工業與民用建筑設計，結構工程專業。