中国寰球工程公司新疆分公司 新疆乌鲁木齐 830011
摘要：在轻型房屋钢结构体系中，门式刚架具有施工快、造价低、扩建灵活、维护费用低和单一供货责任等优点，其用途十分广泛，在工业建筑市场上占据主导地位。但是不合理的建筑尺寸往往会导致结构用钢量的增加。本文详细的介绍了门式刚架钢结构的设计方法，在此阶段，利用PKPM-STS钢结构计算软件针对不同建筑尺寸的门式刚架体系做了详细分析，并根据分析结果提供了有关合理设计的建议。
关键词：门式刚架；用钢量；优化设计
1 门式刚架结构设计方法
1.1 工程概况
设备间长13.8m，宽8.6m，建设于独山子地区，抗震设防烈度8 度，相应于设防烈度的设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第三组，建筑场地属于Ⅱ类，基本风压0.60kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压0.55kN/m2；标准冻结深度：Z0=1.5m；地基承载力特征值500kPa；结构环境类别为二b类，结构抗震等级为四级；设计使用年限为50年；建筑结构安全等级为二级；建筑抗震设防分类为丙类；结构重要性系数g0= 1.0。
1.2 门式刚架结构设计方法
门式刚架结构主要包括结构系统（刚架、支撑、抗风柱）、次结构系统（屋面檩条、墙面檩条、隅撑等）、辅助结构体系（挑檐、雨棚、女儿墙、楼梯、吊车梁等）、维护板材和墙体、柱脚和基础等。本文结合废水处理设备间设计对门式刚架设计进行简要叙述。
1.2.1 荷载取值和组合
a.荷载取值
（1）恒载：根据屋面做法确定，主要包含屋面板自重、檩条、屋面水平支撑等自重；
（2）活荷载：当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按照水平投影面积计算）取0.5 kN/m2，对受荷水平投影大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载标准值取不小于0.3kN/m2。
（3）地震荷载：按照现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定计算。
（4）风荷载：对于门式刚架不同的部位风荷载的计算方法不同。主要参考《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015计算。
（5）吊车荷载、雪荷载、积灰荷载、施工或检修集中荷载：应按照国家现行标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定采用，吊车荷载在简化成静力荷载时应注意要乘以相关静力荷载放大系数。
（6）吊挂荷载：吊挂荷载指另挂在屋面系统上的附加荷载，通常有防火喷水装置、灯光照明、通风排气装置、空调管道及工艺要求的其他设备荷载。吊挂荷载一般按照恒荷载计算（特殊工艺荷载除外）。吊挂的范围涉及到荷载的作用范围，不确定时应考虑按照活荷载输入，以考虑荷载不利的布置情况。
门式刚架结构一般起控制作用的为风荷载，风荷载的计算也是门式刚架结构的重点和难点。风荷载的计算主要在于确定风荷载的体形系数，根据门式刚架中结构构件的不同，风荷载作用下的体形系数也不相同。主要包括：（1）刚架的风荷载体形系数；（2）檩条和墙梁的风荷载体形系数；（3）屋面板和墙板的风荷载体形系数；（4）山墙墙架构件的风荷载体形系数；（5）屋面挑檐的风荷载体形系数。门式刚架结构构件的体形系数的取值主要取决于建筑物类型、建筑分区、有效受风面积等因素。在对单独构件进行设计时，应注意体形系数的选取。
b.荷载组合
荷载效应组合应符合下列原则：
（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；
（2）积灰荷载与雪荷载或屋面均布活荷载中的较大值同时考虑；
（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其它荷载同时考虑；
（4）多台吊车的组合应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的规定；
（5）风荷载不与地震作用同时考虑。
1.2.2 刚架计算
设备间面积、长度、宽度、高度等都较小，钢梁、钢柱等都采用热轧H型钢，计算较为简单，具体建模过程就不具体叙述了，主要对建模易出现的问题进行总结。
采用PKPM-STS钢结构计算软件建模时应注意以下几个问题：（1）门式刚架柱脚刚接或者铰接的确定；（2）如果采用楔形梁，楔形梁的分段原则；（3）刚架梁柱节点类型的选择；（4）在刚架上添加风荷载时，判断刚架的风荷载体形系数的取值应取自哪本规范；（5）吊车荷载的输入；（6）构件长细比、柱顶位移、梁挠度与跨度比等限值数值的取值；（7）梁、柱等构件平面内、平面外计算长度的取值。
1.2.3 檩条设计
实腹式檩条，檩条按照单跨简支构件进行设计。屋面采用双层压型钢板复合保温屋面，檩条之间有单层拉条进行拉接，拉条应作为檩条沿刚架坡向的支撑点，能阻止檩条上翼缘的侧向位移和扭转，设计时应按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015的规定计算檩条下翼缘的稳定性。当跨度较大或风荷载较大时，可以采用上下双层布置拉条，其下层拉条可作为风吸力作用时下翼缘的侧向支撑。
拉条的设置：当檩条的跨度不大于6.0m时，在跨中设置一道拉条；大于6m时在跨间三分点处各设置一道拉条。直拉条和斜拉条采用圆钢，一般为 12，撑杆为直拉条外加套管，套管截面不应小于D32×2.5。
檩托：檩托的选取参考图集11G521-1《钢檩条》，檩条与檩托的连接螺栓一般为2M12，当檩条高度为280mm，300mm，350mm时，宜不小于2M16。
1.2.4 墙梁设计
（1）轻型墙体结构的墙梁宜采用卷边槽形或斜卷边Z形的冷弯薄壁型钢。
（2）当墙梁跨度为4~6m时，宜在跨中设一道拉条；当墙梁跨度大于6m时，宜在跨间三分点处各设一道拉条。在最上层墙梁处宜设斜拉条将拉力传至承重柱或墙架柱；当墙板的竖向荷载有可靠途径直接传至地面或托梁时，可不设拉条。
（3）单侧挂墙板的墙梁，在承受朝向面板的风压时，墙梁的强度可按下列公式验算： 、 、 。
（4）仅外侧设有压型钢板的墙梁在风吸力作用下的稳定性，可按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018的规定计算。
（5）墙梁在门窗洞口处应加强，采用双檩条或者槽钢，具体见国标图集02SG518-1《门式刚架轻型房屋钢结构》。
1.2.5 支撑构件设计
（1）门式刚架轻型房屋钢结构中的交叉支撑和柔性系杆可按拉杆设计，非交叉支撑中的受压杆件及刚性系杆应按压杆设计。
（2）刚架斜梁上横向水平支撑的内力，应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算；对于交叉支撑可不计压杆的受力。
（3）刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载（如有吊车，还应计入吊车纵向制动力）按支承于柱脚基础上的竖向悬臂桁架计算；对于交叉支撑可不计压杆的受力。当同一柱列设有多道柱间支撑时，纵向力在支撑间可按均匀分布考虑。
（4）支撑构件受拉或受压时，应按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017或《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018中关于轴心受拉或轴心受压构件的规定计算。
（5）当不允许设置交叉支撑时，可设置其它形式的支撑；当不允许设置任何支撑时，可设置纵向刚架。
支撑构件一般分为：屋面水平支撑、柔性（刚性）系杆、柱间支撑三种。应该注意的是在设置柱间支撑的开间宜同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体。抗震设防烈度为8度地区应刚性系杆应采用角钢。
1.3 门式刚架用钢量影响参数分析
结合设备间实际工程，利用PKPM-STS钢结构计算软件，建立若干种计算模型，其中跨度取值依次为6m，9m，12m，15m，18m、21m，柱高6m，柱距为4m、5m、6m、7m，按不同的排列进行组合。根据计算结果进行对比，从而分析得出跨度、柱距对结构用钢量的影响规律，以实现刚架结构的最优选型、达到结构用钢量最为经济的目的。
1.3.1 跨度的对刚架用钢量影响
门式刚架的跨度一般为9m-36m，不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度的选择。应在满足生产工艺和使用功能的基础上，确定合理的跨度以取得优良的经济指标。
在相同荷载（恒荷载0.5kN/m2、活荷载0.55kN/m2、风压0.60kN/m2）作用下依次建立跨度6m、9m、12m、15m、18m、21m计算模型，分别得出刚架用钢量，见图1.3
图1.3 门式刚架用钢量与跨度关系
从图2.3可得，对于小跨度刚架，6m刚架的单位用钢量比8m和9m刚架大很多，所以建造小跨度刚架是不经济的；中跨刚架基本上随着跨度的增大用钢量增大，只有21m的刚架用钢量有较高的增大，这是因为其初选截面较大，优化搜索空间相对较小而造成的。总体而言，中小跨度刚架中，9m、12m、18m，都是优化结果较为显著的刚架。当跨度超过18m时，宜采用多跨刚架，中间设置摇摆柱，其用钢量较单跨刚架约节约16%。
一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大刚架跨度，刚架的用钢量增加不太明显，但能节省空间，基础造价低.综合效益较为可观。由于刚架用钢量指标随着跨度的增大而增大。因此，在工艺要求允许的情况下，应尽量选择小跨度的门式刚架更为经济，不宜盲目追求大跨度。
1.3.2 柱距对刚架用钢量影响
厂房的使用功能和平面布局确定以后，刚架的跨度就决定下来。柱距越大，每榀刚架的用钢量越多，刚架的数目少，檩条等的用钢量比较多；柱距越小，每榀刚架的用钢量越少，刚架的数目多，檩条等的用钢量比较少。对于每个具体工程，跨度确定后，必然存在着一个合理的柱距，使得结构的用钢量较少。
建立一个厂房模型，柱距依次取6m、9m、12m、15m、18m，分别计算其刚架最优用钢量和在荷载相同情况下（恒荷载0.5 kN/m2、活荷载0.55kN/m2、风压0.60kN/m2）计算得到的檩条、墙梁等的维护构件的用钢量。
通过对不同跨度门式刚架用钢量的比较分析，在柱距6-18m的取值范围内，可以得到下面的结论（图2.4为跨度12m无吊车时刚架各部分最优用钢量）：
从图1.4中可得：随着柱距的增大，刚架本身的的单位面积用钢量是逐渐下降，当柱距达到一定程度时用钢量的下降并不明显。檩条、墙梁和支撑等维护结构用钢量随着跨度的增大而有较为明显的增加，由于新疆地区基本风压较大，当柱距到达12m时屋面檩条就需要采用双C型檩条，跨度在12m以上时采用冷弯薄壁型钢比较困难，建模分析时采用了槽钢檩条，重量较大，因此图2.2中维护结构的总重在刚架跨度9m-12m之间有较大的增加。分析结构总用钢量，从曲线中可以看出结构总用钢量呈现不明显U型，说明对于一般条件下的钢结构厂房，存在着一个用钢量较低的合理住距。对于跨度在12m左右，无吊车的厂房，在一般荷载工况下（基本风压≤0.6kN/m2），合理的柱距范围应在8~9m左右。在工艺和建筑设计允许的情况下，可对厂房进行优化分析，某些情况下可降低多达20%以上的用钢量。
图1.4 门式刚架用钢量与柱距的关系
1.3.3 檐口高度对刚架用钢量影响
当荷载、跨度、柱距等因素相同时，檐口（柱长度）越高，用钢量越大，这不仅仅是由于柱加长了一节。柱高增加，结构的侧向刚度降低，柱顶在水平荷载下的侧移增大，要控制柱顶位移值，必须通过增加柱截面尺寸，同时檐口高度的增加导致墙面板面积增加，墙面檩条用量也会相应增加。
2 门式刚架减少钢用量的具体措施
（1）采用合理的跨度，当厂房跨度较大时，可以通过增加中间柱的方式来减少厂房的跨度，从而减少用钢量。当然设不设中间柱要根据工艺等各方面的要求作综合考虑，在方案确定前，尽量与各个专业、业主协调，为业主提供专业咨询信息，帮助业主合理的安排建筑资金。
（2）鉴于檩条构件钢材的单价要高于刚架钢材，方案设计确定柱距时，可优先进行檩条设计，尽量根据檩条截面确定合适的柱距。
（3）根据计算结果选用不同的钢材材质。Q235和Q345钢单价差别不大，使用高强材料能节省造价。尽量采用高强材料，当强度起控制作用时，采用Q345钢，由挠度、稳定性或位移控制时，采用Q235钢。
刚架：优先选用Q345钢，当计算结果是挠度控制时，即挠度刚好满足而应力有很大富余，首先尝试改变弯矩分配，即使钢梁跨中的弯矩减少，梁与柱连接处的弯矩增大，主要措施是增大梁柱截面附近的梁柱截面、减少跨中截面，或者尝试把柱脚做成刚接，当上述措施效果不明显的时候，则考虑改变钢材材质。比较上述几种方案的经济性。当计算结果是由位移控制时，即位移刚好满足而应力有富余，首先尝试增加刚架的侧向刚度，主要措施是中柱要做成下铰上刚，进一步把两边柱做成刚接，在进一步把某些中柱也做成刚接；其次是改变材质。比较上述方法的经济性。
檩条：优先选用Q345钢材，优先选用连续檩条。当由挠度控制时，尝试增加檩条高度，减少檩条厚度，若效果不明显，则改变材质，当由风吸力下翼缘稳定性控制时，考虑采用双层拉条。比较上述几种方案的经济性。
吊车梁：优先选用Q345钢，当计算结果由挠度控制，即挠度刚好满足而应力有很大富余，考虑改变材质；当计算结果由整体稳定控制，考虑增设制动系统。
（4）支撑系统尽量设计成侧向刚度大的交叉支撑，避免门式支撑。
（5）尽量减少吊挂荷载，同时避免吊点处在檩条上的情况。
（6）屋盖荷载增加或柱高增加均会引起用钢量较明显的增加，设计时应注意正确的计算荷载取值。
3 结论
本文通过对设备间的设计，总结门式刚架结构厂房设计方法、研究了刚架跨度、柱距等对刚架用钢量的影响及提出了减少门式刚架厂房用钢量的一些措施，希望在以后的工作中即能注重所设计结构的安全性又能注重结构的经济性。
参考文献：
[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB51022-2015[S] 中国建筑工业出版社
[2]建筑结构荷载规范 GB50009-2012 [S] 中国建筑工业出版社
[3]钢结构设计规范 GB50017-2003 [S] 中国建筑工业出版社
论文作者:张辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/18
标签：荷载论文; 檩条论文; 跨度论文; 结构论文; 屋面论文; 构件论文; 钢结构论文; 《基层建设》2017年第12期论文;