轻型门式刚架钢结构的优化设计研究

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摘要：

本文主要研究轻型门式钢架构的优化设计，介绍了轻型钢结构的系统组成和结构布置，

从结构选型、几何参数优化和坡度优化等几个方面讨论了轻型门式钢结构进行了优化设计。对某厂房的典型轻型门式钢架结构的优化设计措施进行了详细分析，对轻型门式钢结构的优化设计提供了一定的参考价值。

关键词：轻型门式钢架结构 优化设计

中图分类号：TU391文献标识码： A

轻型门式钢结构是一种在我国得到广泛接受和应用的轻型钢结构形式，现行的设计规程也是根据轻型门式钢结构制定的。随着钢材品质的不断提高钢结构截面尺寸也随之变小，如何在保证钢结构稳定性和使用性能是优化设计的重要任务，得到了专家学者的广泛重视。轻型门式钢架结构体系由于有着较好的稳定性和安全性能，近年来得到了广泛的应用【1】。我国在改革开放之后大量引进先进的技术和设备，门式钢结构的使用和设计也逐渐发展起来。但是随着钢材价格的持续攀升，如何对门式钢架结构进行结构优化设计，节省钢材的用量成为了摆在相关工作者面前比较严峻的问题。

一、轻型钢门式钢结构布置

轻型门式钢结构的关键参数是钢架的跨度和柱间距。进行结构设计时需要重点考虑的是温度区间的确定以及支撑体系的布置。由于温度效应的作用，需要控制轻型钢结构纵向温度区间不应该超过300m，横向温度区间不应该超过150m【3】。如果建筑尺寸超出规定则需要设置温度伸缩缝，通过设置双柱或者次结构以及檀条等可调节构造来实现。

1.支撑布置的原则。

（一）柱间支撑和屋面支撑需要在同一开间内形成具有纵向载荷支撑作用的桁架，支撑桁架要选择刚性系杆，交叉的斜杆可以采用柔性构件。刚性构件主要有：圆管、工字梁、Z型梁等冷弯薄壁钢结构，柔性构件主要有圆钢等只用于受拉构件。但是需要注意柔性构件由于自重容易导致的下垂现象，需要施加适当的预紧力来避免。

（二）支撑的间距通常控制在30m-40m，最大不能超过60m【4】。

（三）支撑通常布置在温度区间第一第二个开间，如果布置在第二开间，第一开间相应位置需要设置刚性系杆。支撑斜杆能够最有效的传递水平载荷；当柱子高度较大或单层支撑构件的角度过大时，需要考虑采用双层柱间支撑的方式。轻钢结构的刚性系杆可以由相应位置的檀条承担，在支撑桁架的节点需要设置刚性系杆。

二、门式钢架结构设计优化

1.结构选型。轻型门式钢结构种类繁多，根据构件体系的不同能够分为实腹式以及格构式；根据钢架结构的不同可以分为等截面和变截面两种；根据材料的不同，能够分为普通型刚、薄壁钢和钢管等类型。

（一）格构式门式钢架梁柱截面通常为矩形或者三角形。门式钢架的梁中腹板主要承受剪力，通常为腋梁形状，构件的截面为高又窄的形式，截面形式简单，性能稳定。

（二）门式钢架的柱脚与基础连接通常采用铰接的形式，而梁柱如果有较高的刚度要求，并且处于控制风载荷导致的柱顶位移，柱脚则需要做成刚接。而多跨结构中柱形式如果为两端铰接的摇摆柱，这种中柱不会承担钢架结构的弯矩，截面比刚接小很多，还能够简化横梁铰接连接结构，进一步节省钢材用量，虽然摇摆柱不承担横向载荷导致边柱需要更大的截面积才能够保证承载能力，但是总体上看这种形式还是能够节省材料的，同样，如果柱较高，出于保证柱顶稳定的目的，中柱和横梁之间的连接可以选用刚接的形式【4】。

2.门式钢架几何参数优化

进行门式钢架结构的几何参数优化首要保证的是结构的安全性，同时保证结构能够有较低的钢材用量，尽量减少建设成本，这些原则就是进行门式钢结构优化设计的目标。

门式钢架结构的工程造价主要受到钢材用量的影响。影响门式钢架钢材用量的因素有结构形式、载荷形式、建筑几何参数以及钢材性能等。建筑结合参数则主要有钢架跨度、柱高、层面坡度以及横梁变截面等。 在经过对很多门式钢架结构的比较分析之后，制定了门式钢架结构的初步设计优化方案：

（一）跨度和跨数的优化。

跨度在15m以上时跨度越大用钢量随之增大，跨度越大，用钢量增加幅值也越大，在单跨钢架中更加明显。

跨度小于18m时单跨和双跨之间用钢量差异不大。跨度在18m以上时，选择双跨能够比单跨节省约20%的用钢量。

跨度为9m时，选择单跨用钢量最小。

跨度在12-21m之间时在跨中设置一根摇摆柱用钢量最小。

跨度在24-30m时设置和钢架边柱成等间距在8-10m之间的两个对称摇摆柱用钢量最小。

跨度为36m、42m时设置3根摇摆柱，等间距并且距边柱距离在9m、10.5m时钢材用量最小。

通常情况下，如果跨度一定，通过增加摇摆柱的数量，能够减少横梁内力，从而使较小的梁截面尺寸就能够满足使用要求。但是要注意摇摆柱本身的用钢量比较大，如果摇摆柱的数量过多也会造成用钢量的增加。在跨度一定的情况下存在着最优跨数，对减少用钢量有着很大的实际意义。下表便是相同条件下各种跨度最优柱距。

表1相同条件下各种跨度相对应最优柱距

跨度 最优柱距/m

24-36 6-7.5

36-45 7-8

45以上 8-9

（二）坡度优化

载荷一定，大跨门式钢架用钢量和坡度有关，坡度越小，用钢量也越小，通常情况下坡度以1：20、1：15比较合理，能够保证较小的用钢量并且能够满足使用性能。

三、工程实例

某厂房为门式轻型刚架钢结构。主厂房为5跨，开间为7.0m和7.7m,檐口高度7.6m。采用计算机辅助计算，分析门式钢架的经济指标，采用以下参数：屋面恒荷载标准值为 0.25 kN/m2，活荷载 0.5 kN/m2，雪荷载 0.4 kN/m2，基本风压 0.45 kN/m2。结构形式为多跨铰接门式钢架，结构形式如图：

图1某厂房轻型门式钢结构示意图

1.选择变截面梁，楔形柱，假设柱底比较理想，摇摆柱上下均为铰接，满足规范对结构强度、刚度和稳定性约束下，要求刚度和稳定性达到规范设计的100%。门式钢架横梁与柱之间为刚接，柱脚和基础之间采用铰接，如果水平载荷比较大，檐口标高较高，并且对刚度的要求较高时柱脚和基础之间也可以选择刚接，但是通常情况下进行门式钢结构的简化时都简化为理想的铰接，该门式钢架结构同时选用了两种结构形式。

2.钢材选用Q235B，C型刚檀条，柱钢架选择H型钢，刚架柱，选用变截面，横梁变截面三段界面之间的比例为0.2:0.64:0.16，梁柱节点为刚接，柱和基础之间采用铰接，忽略吊车载荷，设置抗震烈度为8级，避免粗糙度为B类。

3.柱底铰接门式钢架截面优化。这部分的结构优化主要通过调整钢架腹板高度和厚度节省用钢量。截面状况如下：

表1梁柱截面设计

梁祝编号 优化界面

梁L1、L2 （840-700）x280x6x11

梁L2、L3 750x150x6x15

边柱 （700-850）x250x8x15

跨数的优化主要通过在中间添加两根摇摆柱的形式实现，柱间距离为6m，坡度为1：15。门式钢架结构在添加摇摆柱后能够大幅幅度的减少钢材用量，能够节省约30%上部用钢量，但是会对边柱带来更大的载荷，边柱需要进行适当的加强，同时也要注意横梁变截面位置的优化对用钢量的减少贡献不大。

4.抗震设计。

砌体外维护墙体预埋件和锚固件的部位采取加强措施，提高对墙体传递给主体结构的地震作用。

（一）保证砌体砂浆强度在M5以上。

（二）布置墙体时要避免结构出现刚度和强度分布上的突变，减少应力集中。

（三）采用外贴式外维护墙体，保证和柱之间的可靠拉结。

（四）在柱顶设置一道圈梁，根据上密下稀的原则，保证4m的间隔设置圈梁，圈梁选择全闭合式，选择截面和墙厚相同的圈梁，截面高度至少180mm。转角处柱顶圈梁在端开范围内纵筋直径要大于8，间距不能大于100mm，圈梁转角需要设置最少3根和纵筋等直径的水平斜筋。

结束语：

门式钢架有着很显著的优点，在工业厂房中应用广泛，门式钢架是结构中的主要受力体系，对整个钢结构的耗钢量有着决定性的影响。门式钢架和冷弯薄壁型钢材料的檀条和外墙板之间产生了蒙皮效应，提高了门式结构厂房的整体稳定性。研究表明，选择合适的柱间距和采用数量合适的摇摆柱能够有效减少用钢量，效果比较理想，但是跨距超过一定数值之后，摇摆柱自身较大的自重会逐渐抵消整体结构用钢量的减少，需要注意这个问题。

参考文献：

[1]吴剑国，龚铭，孙苏询，等.门式刚架轻型房屋钢结构离散变量优化设计[J].建筑结构，2011（8）：54-55.

[2]张和平，程海琴，罗威年.论门式刚架截面优化设计在我国的发展[J].华东交通大学学报，2012（4）：37-40.

[3]陈世英，鹿晓阳，赵晓季.基于 ANSYS 分析的多层轻钢框架结构优化设计[J].基建优化，2012，27(1):93-99.

[4]周学军等.半刚性连接钢框架结构的研究及应用[J].山东建筑工程学院学报,2013,2:85-88[J].水利水电机械,2011,2:7-10.