摘要：门式刚架是典型的轻型钢结构，它具有节省材料、施工周期短等优点，因而也是目前国内应用最广泛的轻型钢结构。因此，在门式刚架的设计中，为了充分发挥其优越性，为了最大限度的凸显其经济性，结构工程师应尽可能地优化结构设计。基于此，本文主要对轻型钢结构门式刚架用钢量进行分析探讨。
关键词：轻型钢结构；门式刚架；用钢量
1前言
轻型钢结构门式刚架之所以在工业厂房、公路(铁路)库、仓库、飞机库、集贸市场、体育场馆、航空港、商业建筑中越来越得到人们的青睐，是因为一他是采用轻型材料，二是钢材消耗量低。“用钢量”是该类结构的一个重要的经济指标，受结构形式、柱网尺寸(柱距、跨度等)、工艺使用要求以及建筑要求等多方面的制约。
2结构布置对用钢量的影响
门式刚架的跨度、柱距和平面布置一般由建设单位的场地大小、工艺流程、投资情况等条件决定，但仍有一定的调整余地。如果条件允许，跨度和柱距是否存在一个经济的范围，很值得研究。
2.1柱距对用钢量的影响
经过对大量工程实例统计及计算，可以发现，柱距为7～9m时，总用钢量基本保持稳定。小于7m时，总用钢量随柱距增大普遍呈降低趋势，降幅随跨度的增大而增加，柱距超过9m时，由于檩条、支撑、吊车梁等构件的用钢量大幅上升，造成总用钢量上升。因此，对于常用刚架，建议柱距取7～9m，当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取8～9m，当吊车吨位较大时，柱距可取7m左右，用钢量比常规6m柱距可节省3%～5%，总造价可节省2%～6%，经济效益非常可观。另外同时应考虑设计的标准化、定型化、品种规格化等因素的影响。
2.2跨度对用钢量的影响
门式刚架的经济跨度一般在18～36m，吊车吨位较大时，经济跨度在24m～36m，无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18～24m，采用合理经济跨度可以节省钢材5%～15%，总造价降低2%～7%。影响经济跨度的主要因素是荷载，荷载越大时，总用钢量对跨度越敏感，越应注意采用合理跨度。这是因为荷载大则柱截面大，若此时跨度较小，其单位用钢量必然上升。若跨度增大，梁截面又显著增大，也会导致单位用钢量的上升。在设计时，应进行几个方案的综合比较，选择适宜的跨度和跨数。
表1 不同跨度的门式刚架用钢量(kg/m2)
3次构件对用钢量的影响
屋面檩条、墙面檩条的用钢量一般占总用钢量的20%～25%，因此，正确的构件设计和构造对保证整体结构的安全、节省用钢量、控制造价有着十分重要的意义。檩条、墙梁宜优先选用Q345B镀锌卷材，一般采用冷弯薄壁型钢，因为冷弯型钢实腹檩条受力性能好、承载力高、整体刚度大，可以节约钢材、减轻结构用钢量；而且冷弯型钢实腹檩条制造安装方便，可叠合堆放，是一种合理的檩条形式。冷弯薄壁型钢实腹式檩条主要采用卷边C型檩条和带斜卷边(或直卷边)的Z型檩条。卷边Z型檩条用于坡度大于1/4的屋面较为合理，此时，屋面荷载作用线与截面主轴方向相当接近，弱轴方向的力分量很小，一般来说，坡度平缓的屋面采用卷边C型檩条。但由于卷边Z型檩条可以叠合运输，因此目前广泛地应用在坡度平缓的屋面。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆设计时采用连续檩条或连续墙梁，可比《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015中规定的简支檩条节约钢材10%左右。
4钢材类型和结构形式对用钢量的影响
4.1钢材类型对用钢量的影响
在设计时，主刚架和吊车梁宜采用Q345–B钢材，材质符合《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-2018)要求。在最优跨度24～30m的范围内，无论柱间距大小，采用Q345钢的用钢量均比采用Q235钢的用钢量下降16%左右，成本稍高的热加强钢材不仅强度提高，由于结晶组织的改善而韧性提高，同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能。而Q345钢的价格仅比Q235钢的价格每吨高100多元，所以采用低合金高强度钢是降低总用钢量的重要途径之一。
4.2结构形式对用钢量的影响
轻型门式刚架由于自重较轻，且柱顶高度一般不高，因此柱底弯矩相对不大，因此，在设计时通常采用铰接柱脚，只有在有吊车且吊车吨位较大时，采用刚接柱脚。在多跨门式刚架中，由于中柱两端柱顶弯矩很小，常做成摇摆柱(两端铰接柱)，还应注意的是，当跨数较多时，摇摆柱的数量应不多于3列。在进行设计时，遵循这些基本原则，可以降低用钢量约2%。
5影响结构用钢量的其它因素及降低的方法
（1）门式刚架轻钢结构屋面、墙面檩条均采用冷弯薄壁C型钢或Z型钢，但从较合理的群面造型考虑，檩条截面高度也不宜过高，一般以不大于280mm为宜。据此考虑，为了使檩条都能方便地采用冷弯薄壁型钢(便于加工及维护)，避免采用格构式檩条，门式刚架的柱距(即檩条跨度)一般以不大于9.0m为宜。
（2）在轻钢结构中主构架应考虑使用Q345(16Mn)钢材，因为:首先，轻钢结构允许变形放宽，如:《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015规定:不设吊车的轻型钢板墙结构在风荷载作用下柱顶允许水平变位60/h(注:h为刚架柱高度)，这在一定程度上为高强钢材发挥强度优势创造了条件；其次，高强钢材的发展已趋成熟，成本降低，价格性能比优于Q235钢。
（3）在已定的外界条件(柱网尺寸，荷载大小，檐口高度等)下合理的设计方案是降低用钢量的唯一方法，即进行截面优化设计。截面优化的实现方法有二种。一是用最优化理论来解决，把问题归结为一个单目标规划问题，优化的目标函数是用钢量最少或造价最低，各种设计条件如结构反应(应力、位移等)的允许范围等都可作为约束条件，用数学规划的理论来寻求最优解或最满意解。另一种方法是穷举法，即把各种合理的构件截面形式都进行计算比较，在满足设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低为控制条件，得到满意的截面尺寸。门式刚架常采用变化构件的截面来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化；上下翼缘可用不同截面；相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上翼缘的宽度、厚度；下翼缘的宽度、厚度；腹板的厚度；构件大头、小头的高度；而且这些因素之间也互相影响，互相不独立。
6结语
综上所述，可以得到以下结论：
（1）当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取8～9m；当吊车吨位较大时，柱距可取7m左右。
（2）吊车吨位较大时，经济跨度在24～36m；无吊车或吊车吨位较小时，经济跨度在18～24m。
（3）檩条可采用连续斜卷边Z型檩条来代替传统简支C型檩条。
（4）在满足焊接工艺及其他条件要求的前提下，并且设计由强度控制时，尽量采用低合金高强钢材。
（5）在满足工艺布置的前提下，尽量减少变形缝的设置。
（6）在可能的条件下，尽量采用铰接平板柱脚。
（7）合理的选取计算参数。
（8）在可能的条件下，尽量减少屋面梁端板拼接，并合理的选取节点形式。
参考文献：
[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015.
[2]钢结构设计规范(GB50017-2003)[S].北京:中国计划出版社，2003.10.
论文作者:孙萍萍1, 潘丽利2
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/29
标签：檩条论文; 跨度论文; 吊车论文; 截面论文; 钢材论文; 吨位论文; 结构论文; 《防护工程》2019年第1期论文;