門(mén)式鋼架用鋼量影響因素分析

李輝

摘要：門(mén)式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)近年來(lái)在我國(guó)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，門(mén)式剛架用鋼量問(wèn)題也就顯得越來(lái)越重要。設(shè)計(jì)用鋼量的多少成為衡量設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，本文對(duì)影響門(mén)式剛架用鋼量的幾個(gè)因素（如，柱距、跨度、屋面坡度、平面布置等）進(jìn)行了比較分析，以供相關(guān)人員借鑒。

關(guān)鍵詞：用鋼量；門(mén)式剛架；鋼結(jié)構(gòu)；影響因素

引言

自2002年新的規(guī)程使用以后，國(guó)內(nèi)的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)入了前所未有的繁榮期。當(dāng)前，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在車(chē)站候車(chē)室、娛樂(lè)體育設(shè)施、倉(cāng)庫(kù)、購(gòu)物中心、展覽廳、單層工業(yè)廠房、加層建筑等工業(yè)與民用建筑方面。作者結(jié)合自身設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)探究了影響門(mén)式鋼架房屋鋼結(jié)構(gòu)的一些因素，以期拋磚引玉，給廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供一些參考。

1.門(mén)式剛架的概述

門(mén)式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)展最快的一種新型鋼結(jié)構(gòu)，它是單層工業(yè)廠房中一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，這類(lèi)結(jié)構(gòu)以其用鋼量省、造價(jià)低、施工速度快、外形美觀以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。門(mén)式剛架最主要的特點(diǎn)就是用鋼量省、結(jié)構(gòu)輕巧、適用范圍廣，所以，在設(shè)計(jì)門(mén)式剛架時(shí)，為了使其優(yōu)越性充得到充分的發(fā)揮，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能地優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到“用鋼量最省”這個(gè)目標(biāo)。

門(mén)式剛架一般用于跨度9～36米，柱距6～9米，柱高4.5～12米，設(shè)有較小起重量（不超過(guò)20噸）的情形，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，影響設(shè)計(jì)用鋼量的重要因素包括剛架的坡度、柱距、跨度、柱高、吊車(chē)噸位等，怎樣才能使用鋼量最省、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理，這一直是所有設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。文章對(duì)柱高、跨度、柱距、平面布置對(duì)剛架用鋼量產(chǎn)生的影響做了簡(jiǎn)單的分析比對(duì)，由此得出門(mén)式剛架跨度、柱距、屋面坡度影響門(mén)式剛架用鋼量的規(guī)律，并按照這個(gè)規(guī)律來(lái)確定結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理、剛架用鋼量最節(jié)約的設(shè)計(jì)方案。

2.對(duì)門(mén)式剛架用鋼量產(chǎn)生影響的因素

2.1 柱距對(duì)用鋼量產(chǎn)生的影響

廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最先要解決的問(wèn)題就是怎樣根據(jù)工藝要求進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置。一直以來(lái)我國(guó)習(xí)慣性把3米（一般用3米，6米，9米，12米）定為柱距模數(shù)，事實(shí)上，這是套用了預(yù)制鋼筋混凝土工業(yè)廠房的模數(shù)制。目前，還沒(méi)有人對(duì)此模數(shù)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，看它是否也適用于門(mén)式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)。然而，從綜合經(jīng)濟(jì)分析的角度而言，合理的柱距對(duì)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣有很大的影響。就用鋼量指標(biāo)來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)最優(yōu)柱距。隨著柱距的增加，整個(gè)門(mén)式剛架房屋的用鋼量先減少后增加。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算大量工程實(shí)例得出，當(dāng)柱距7～9m時(shí)，總用鋼量基本持平，小于7m時(shí)，隨著柱距的不斷增大，總用鋼量普遍呈降低趨勢(shì)，降幅隨跨度的增大而增加。柱距大于9米時(shí)，隨著吊車(chē)梁、墻梁、支撐、檁條等構(gòu)件用鋼量的大幅度上升，總用鋼量也呈上升趨勢(shì)。所以，就常用剛架來(lái)說(shuō)，建議取7～9米柱距，當(dāng)?shù)踯?chē)噸位較小或沒(méi)有吊車(chē)時(shí)，可取8～9米柱距；當(dāng)?shù)踯?chē)噸位較大時(shí)，可取7米左右柱距，與常規(guī)柱距6米相比，可節(jié)省3%～5%的用鋼量，節(jié)省2%～6%的總造價(jià)，有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此外，需把設(shè)計(jì)的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化、品種的規(guī)格化等影響因素考慮在內(nèi)。

廠房的實(shí)際用鋼量還跟構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化程度、鋼材的供應(yīng)情況緊密關(guān)聯(lián)，有時(shí)因采用替代材料與非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件而產(chǎn)生的額外耗鋼非常之多，當(dāng)然，離開(kāi)了柱距模數(shù)，構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化是無(wú)從談起的。

2.2跨度對(duì)用鋼量的影響

門(mén)式剛架的經(jīng)濟(jì)跨度通常在18～36米，吊車(chē)噸位較大時(shí)，經(jīng)濟(jì)跨度在24～36米，吊車(chē)噸位較小或沒(méi)有吊車(chē)時(shí)，經(jīng)濟(jì)跨度在18～24米，經(jīng)濟(jì)跨度采用得合理能夠節(jié)省鋼材5%～15%，總造價(jià)降低2%～7%。荷載是影響經(jīng)濟(jì)跨度的一個(gè)主要因素，總用鋼量在荷載越大時(shí)，其對(duì)跨度越為敏感，更應(yīng)該重視跨度的合理性。這是由于荷載大柱截面就大，如果此時(shí)跨度較小，其單位用鋼量肯定上升。如果跨度增大，梁截面又明顯增大，同樣會(huì)造成單位用鋼量的上升。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該在滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝與使用功能的基礎(chǔ)上，確定合理的跨度以取得優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

廠房跨度通常由使用功能與生產(chǎn)工藝來(lái)決定，有時(shí)業(yè)主要求設(shè)計(jì)人員根據(jù)使用功能與生產(chǎn)工藝來(lái)決定廠房的經(jīng)濟(jì)跨度來(lái)降低造價(jià)。通常說(shuō)來(lái)，荷載與柱高不變，跨度適當(dāng)加大，不會(huì)明顯增加剛架的用鋼量，同時(shí)基礎(chǔ)造價(jià)低，節(jié)省空間，綜合效益較好。

2.3屋面坡度的影響

門(mén)式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)的屋面坡度一直以來(lái)大體在1/8～1/20之間，在對(duì)屋面坡度進(jìn)行確定時(shí)，主要是對(duì)屋面排水要求的考慮，對(duì)于雨水較多的地方應(yīng)該取較大值，而雨水較少的地方應(yīng)該取較小值。若應(yīng)用瓦楞鐵、石棉瓦等材料，為確保排水的要求，一般取較大的屋面坡度，假如應(yīng)用壓型鋼板屋面，一般取相對(duì)較小的屋面坡度。屋面的主要承受荷載一般包括雪荷載、自重活荷載、風(fēng)荷載等，如果從結(jié)構(gòu)受力角度進(jìn)行考慮，隨著各種屋面荷載的比例不同，門(mén)式剛架屋面坡度的變化就會(huì)使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布發(fā)生變化，如果想讓結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更為合理就需要對(duì)屋面坡度進(jìn)行優(yōu)化，并依據(jù)荷載條件來(lái)設(shè)計(jì)屋面坡度。

在一定的自然條件下，采用合理的屋面坡度，減少結(jié)構(gòu)最不利截面應(yīng)力，進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)的截面尺寸，由此達(dá)到節(jié)省用鋼量的最終目的。

盡管風(fēng)、雪等自然條件各不相同，但其最優(yōu)用鋼量的變化趨勢(shì)是基本一致的，用鋼量在0～60度范圍里面，都有一個(gè)由大到小接著又逐漸升高的過(guò)程，由此表明：就門(mén)式剛架來(lái)說(shuō)，當(dāng)其他條件一定時(shí)，用鋼量是隨屋面坡度的變化而不斷變化的。

對(duì)于柱高8米、跨度24米的門(mén)式剛架房屋鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在 10～20度之間會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)屋面坡度。門(mén)式剛架荷載取值與荷載效應(yīng)組合，跟屋面坡度緊密相關(guān)，風(fēng)荷載隨屋面坡度的增大，其影響也不斷增大。風(fēng)荷載在屋面坡度較小時(shí)，可被看作有利因素，在進(jìn)行剛架設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可以不用考慮它的影響；反之，風(fēng)荷載在屋面坡度較大時(shí)，被看作是不利因素，在進(jìn)行剛架設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)必須把它的影響考慮在內(nèi)。當(dāng)屋面坡度小于45度時(shí)，永久荷載為控制荷載，起主要作用；而大于45度時(shí)，風(fēng)荷載為控制荷載，起主要作用，其他的荷載參與組合。風(fēng)荷載對(duì)屋面最優(yōu)坡度的有很大的影響。當(dāng)活荷載大于風(fēng)荷載時(shí)，屋面最優(yōu)坡度處于10度左右；當(dāng)活荷載小于風(fēng)荷載時(shí)，屋面最優(yōu)坡度處于15度左右。

2.4平面布置對(duì)用鋼量的影響

當(dāng)橫向長(zhǎng)度大于150米，縱向長(zhǎng)度大于300米時(shí)應(yīng)設(shè)置伸縮縫，就構(gòu)造而言，設(shè)置伸縮縫沒(méi)有任何問(wèn)題存在。但是，通常是采用雙柱的做法，所以會(huì)相應(yīng)的增加一些用鋼量，尤其是縱向伸縮縫，增加較多的柱子，因此當(dāng)門(mén)式剛架進(jìn)行平面布置時(shí)應(yīng)盡可能把平面尺寸控制在不設(shè)伸縮縫的范圍之內(nèi)，這樣，才能夠減少總的用鋼量。

總結(jié)語(yǔ)：

門(mén)式鋼架在我國(guó)建筑物的應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也日趨成熟，但是還有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步地解決，上述中本人結(jié)合自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)門(mén)式剛架用鋼量與柱距、跨度、屋面坡度、平面布置的關(guān)系做了簡(jiǎn)單的分析，從而能夠提高設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，提高輕型門(mén)式鋼架的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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