浅析轻型门式刚架厂房用钢量影响因素
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摘要 工业厂房设计中柱网布置往往采用模数化柱距,对门式刚架轻型刚架结构工业厂房来说,采用过去的钢筋混凝土厂房模数柱距会使用钢量指标过大。笔者根据从事的几个门式刚架厂房的实际工程,对轻钢厂房的用钢量因素作了一些研究。
关键词 门式刚架 用钢量
门式刚架在我国迅速发展，得到越来越广泛的应用，成为建筑结构中发展最快的结构类型。它已用钢省，造价低，制作安装简便，工期短，使用范围广泛，外形美观，可以拆迁的一系列的优点，深受用户的欢迎，已基本取代了过去长期沿用的大型屋面板和梯形钢屋架式的工业厂房。因此，在门式刚架的设计中，为了充分发挥其优越性，结构工程师应尽可能地优化结构设计，从而达到“用钢量最省”的这个目标。
影响门式刚架轻钢厂房用钢量的因素较多，主要与荷载、跨度、柱距、檐高、钢材性能、抗震等级等条件有关。
1、荷载对用钢量的影响
荷载的大小对于结构用钢有着直接的影响。荷载增加，用钢会随之增加。笔者对实际工作中的一个刚架用钢作了一个比较，当附加吊载从0.2kN/M2增加到0.5kN/M2，即增值为0.3kN/M2时，刚架重量提高1.17倍左右。当附加吊载增值为0.6kN/M2时，刚架重量提高1.25倍左右，由此可见用钢随荷载的增加是非常显著的。
荷载中屋面恒载是容易确定的，屋面活载按规范取值，但附加吊载则常因厂房而异。因此，在结构设计时必须慎重荷载的取值，应从业主或设计院得到文字依据。
2、跨度对用钢量的影响
厂房跨度对用钢量也有影响。跨度大，用钢量也大。门式刚架的经济跨度一般在18m~36m，吊车吨位较大时，经济跨度在24m~36m，无吊车活吊车吨位较小时，经济跨度在18m~24m ，采用合理的经济跨度可以节省钢材的5%~15%，总造价降低2%~7%。
增加中间柱，减少厂房跨度，降低用钢的效果非常显著。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。在方案确定之前，向业主(建设方)提供专业咨询信息，在满足业主工艺需要的同时，又能达到结构的经济跨度，降低用钢量，节约建设费用。
3、柱距对用钢量的影响
不少研究都表明，刚架折成每平方米的重量随着柱距的增加而减少，而减少的趋势会随着柱距的增加而趋于平缓。这是因为，一方面柱距增加，每榀刚架的受荷面积随之增加，刚架梁、柱的截面尺寸，从而单榀刚架的重量亦会随之增大。另一方面，由于柱距增加，跨度不变，则刚架折成每平方米的重量随着面积增大而减小。当柱距不大时，例如从6M增至8M，单榀刚架荷载增加不很大，单榀刚架的重量增加亦不很大，因此折成每平方米的重量减少较为明显，当柱距进一步增加(例如超过9M)，单榀刚架的重量随着荷载的进一步增大而增幅较大，折算到每平方米的重量的减少就不是很明显了，减少趋势趋于平缓。
因此，对于常用刚架，建议柱距取7~9m，当无吊车活吊车吨位较小时，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%。
4、檐高对用钢量的影响
当荷载跨度、柱距等因素相同时，檐高(柱长度)愈高，用钢愈大。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，必须增加柱截面尺寸。柱长度愈大，柱愈容易受压失稳，其临界压力是与柱长度的平方成反比的。从前面的铰接柱临界力公式P=Π2EI/L2中可以看出，当L不能改变时，要提高柱的临界力，只有增大I，即截面惯性矩(与截面尺寸和截面形状有关)。对于受压构件,多采用对称截面如H截面管形截面，箱形截面等，增大临界力必须要加大截面尺寸，或者减少柱在两个垂直方向上的约束长度，例如增加系杆或隅撑等，这些都会导致用钢量的增加。
一般地说，建筑物的檐高或层高多是由建筑师或生产工艺所定，在能满足二者的前提下，尽量降低檐口高度，有利于降低用钢量。
5、钢材强度对用钢量的影响
这里钢材强度是指钢的屈服强度，因为钢材的设计强度是根据其屈服强度而确定的。国内建筑常用钢材为Q235和Q345，即钢材的屈服强度fy=235N/mm2和fy=345N/mm2。
一般情况下，当结构构件的用钢是由其强度控制时，Q345的用钢要比Q235节约。但当构件的尺寸是由变形(刚度)和稳定控制时，钢材强度的影响就不十分显著。但是构件由强度控制转化为稳定或刚度控制常常不是一个明确的界限而是一个范围，同时构件在满足稳定和刚度要求时，也需对其强度或组合强度(例如，弯、剪、压共同作用)进行检查或校核。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Q235钢的用钢量下降16%左右，如今Q345与Q235价格相差不多的情况下，使用强度高一些的钢对节余钢材会有明显的效果。
6、檩条对用钢量的影响
轻钢结构中，檩条所占结构用钢量的1/5~1/3。檩条的选型和计算模式的确定对其用钢量有很大的影响。为节省用钢量，又便于制作和安装，通常采用冷弯薄壁型钢，一般常用有C型和Z型两种。两种规格的檩条，在用钢量一样的情况下，绕平行于屋面的轴，Z型檩条截面特性大于C型檩条，绕垂直于屋面的轴，在不利一侧Z型檩条截面特性也略大于C型檩条，而檩条是按平行于屋面和垂直于屋面进行验算，因而Z型檩条手里性能稍好一些。但Z型檩条在制作和安装上较C型檩条麻烦，在屋面坡度较小时，C型檩条自重产生偏心较小，在屋面坡度较大时，Z型檩条自重产生偏心较小，因此坡度大于1/4的屋面使用卷边Z型檩条，而坡度平缓的屋面采用C型檩条较为合理。但由于卷边Z型檩条可以叠合运输，因此目前也广泛的应用在坡度平缓的屋面。一般在实际设计中，6m以下柱距可做成C型简支檩条，6m以上柱距可做成Z型连续檩条较为经济。
7、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较。只有在右吊车切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，常常做成两端铰接的摇摆柱。在受力合理的情况下，遵循少刚接，多铰接的基本原则，可以降低用钢量1%左右。
8、其他方面对用钢量的影响
按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102 2002）中规定，当横向长度超过150m，纵向长度超过300m时须设置伸缩缝。从构造上来说，设置伸缩缝不存在任何问题，但是钢构做法一般是采用双柱。所以在进行门式刚架平面布置是应尽量使平面尺寸在不设伸缩缝的范围之内，这样也可以减少总的用钢量。在实际工程设计中，一般会利用到计算机软件进一步优化结构构件及界面的几何参数，我们应该根据弯曲应力与轴压应力两者计算值组合的应力图形的变化，来调整刚架的截面变化，是界面的组合应力与材料的设计强度的比值尽可能接近，也就是使材料分布接近于应力图形的分布，从而充分利用到材料的性能，这种满应力色合计法，在确定了结构布置及构件的选型后，在保证安全可靠的前提下，是刚架设计得经济合理的主要手段。
综上所述，节省轻型门式刚架厂房的节钢量有以下几个途径：
当无吊车活吊车吨位较小时，柱距可取8~9m，当吊车吨位较大时，柱距可取7m左右。
吊车吨位较大时，经济跨度在24m~36m，无吊车活吊车吨位较小时，经济跨度在18m~24m。
在满足建筑及工艺的前提下，尽量降低檐口高度节省用钢量。
在最优跨度24~30m的范围内，无论柱间距大小，尽量采用高强度的Q345钢。
6m以下柱距可做成C型简支檩条，6m以上柱距可做成Z型连续檩条。
在满足工艺布置前提下，尽量减少变形缝的设置。
在受力合理的情况下，尽可能遵循少刚接，多铰接的基本原则。
在门刚结构设计时，参考应力图形采用满应力设计法改变构件的截面变化。
参考文献
CECS 102 2002 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》
魏潮文，弓晓芸 陈友泉《轻型房屋钢结构应用技术手册》中国建筑工业出版社
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