浅析轻型钢结构门式刚架用钢量

1、浅析轻型钢结构门式刚架用钢量摘要：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刖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）

2、、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79m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79m，当无吊车或 吊车吨位较小时，柱距可取89m，当吊车吨位较大时，柱

3、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1836m，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1824m，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

4、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，

5、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。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2430m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

6、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

7、降低的方法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 为宣。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。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

8、材 的发展已趋成熟，成本降低，价格性能比优于Q235钢。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

9、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：当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取89m；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2436m；无吊车或吊车吨位较小时， 经济跨度在1824m。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。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。在满足工艺布置的前提下，尽量减少变形