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门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究
1.1简介
工业厂房设计中柱网布置往往采用模数化柱距，而对门式刚架轻型钢结构工业厂房来说，不合理的模数柱距会使用钢量指标过大。本文根据笔者从事的几个实际工程，对轻型钢结构工业厂房的最优柱距问题从设计用钢量的角度作了较详细的研究讨论。
关键字：轻型钢结构，门式刚架，柱距
The Study on Optimumal Column Spacing of the Portal Frame Light Steel Sructure of Industrial Building.
Wang Yuantsing Wang Chunguang
(Department of Civil Engineering, Tsinghua University)
Abstract: Spacing module is often used in the layout of column system of industrial building. But in the portal frame light steel structure industrial building, unsuitable module can cause too large design steel cost. This paper introduces some problem and cooresponding solutions in the several practical projects the author engaged. The optimumal column spacing in the light steel structure industrial building is discussed
in detial from the point of design steel cost.
KeyWords: light steel structure; portal frame; column spacing
1.2概述
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。不仅国外的轻钢生产厂家纷纷将整套的厂房结构体系推向国内市场，国内的轻钢生产厂家、设计单位也纷纷转向这类结构的生产和设计。
但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范。大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。因此，对门式刚架轻型钢结构进行系统的研究，建立和完善专门的设计规范势在必行。
2.1设计方面
2.1.1屋面活荷载取值
框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。《钢结构设计规范》规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。设计时可适当提高至0.5kN/m2。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有人为减少荷载情况，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“偷工减料”。
2.2.2屋脊垂度要控制
框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度？过去不明确，可能不包括屋脊点垂度。现在应该是计算的。一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。要的度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。本人有此想法，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。
2.2.3钢柱换砼柱
少数设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很并，在外力作用下很容易松动和破坏。有些设计，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，要的工程斜梁很细，可能与此有关。
2.3.4檩条计算不安全
檩条计算问题较大。檩要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在《冷弯薄壁型钢构件技术规范》（GB50018－2002）中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15%，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。《规范》4.1.8、9条规定：“结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。
3.1门式刚架轻型钢结构合理柱距的选择
厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置。过去我国和前苏联习惯上将柱距模数定为3m(常用3m，6m，9m，12m等)，这实际上是照搬了预制钢筋混凝土工业厂房的模数制。对门式刚架轻型钢结构是否适用，尚很少有人对此进行专门的研究。然而，从综合经济分析的角度来看，合理的柱距(模数)对设计的好坏影响极大。这是因为：(1)对门式刚架轻型钢结构而言，任何一项设计，其设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标。而设计用钢量和柱距的大小是密切相关的(详见以下工程实例) (2)用轻质屋面材料代替传统笨重的预制钢筋混凝土屋面板，并采用轻型墙体材料，改变了传统工业厂房”肥梁，胖柱，重盖，深基”的做法。设计中可采用由预制钢筋混凝土限制的传统柱距模数，或采用新的模数化柱距，以降低用钢量指标。(3)厂房的实际用钢量及费用还与钢材的供应情况(品种规格)、构件标准化程度等密切相关。有时因材料替代及非标准构件的采用而造成的额外耗钢还相当可观。当然，离开了柱距模数，构件的标准化是无从谈起的。
因此，只有从研究经济柱距入手，确定合理的柱距模数，才能使门式刚架轻型钢结构真正地实现设计标准化、定型化、专门化。从而推动门式刚架轻型钢结构体系在我国的发展。
本毕业设计是一个
米跨，带有
吨吊车的厂房，万荣厂有两个车间，林德发的毕业设计是一个
米跨，带有
吨吊车,另一个是
米跨，带有
吨吊车的厂房。可以说，这三个厂房从跨度和吊车吨位而言是有很大差别的，都采用6米柱距是否合适？本人以刚架跨度和吊车吨位为主要变量，利用PKPM进行结构分析，对两厂所采用的实腹式门式刚架轻型钢结构体系在给定刚架跨度和吊车吨位的条件下，其设计用钢量随柱距的变化情况作了较系统的研究。主要考虑跨度：12m、15m、18m、24m、30m、36m；吊车吨位：0t、2t、5t、10t、15t、20t；及柱距为3m、6m、9m、12m、15m、18m的情况。结构计算简图见图1。
图1门式刚架计算模型（双跨）
为使研究更具有普遍意义和可比性，本文在设计计算时采用以下参数：钢材：Q235-B.F钢；
风载：以0.35kN/m2为基本风压值，近似取高度变化系数
为1.0; 雪荷载:0.30kN/m2,考虑屋面坡度1:15,α<15°取屋面积雪分布系数为1.0。吊车荷载：吊车基本参数和尺寸依据《5～50一般用途电动桥式起重机基本参数和尺寸系列(ZQ1-62)》。
需要说明的是：①因本文考虑的是中级制工作厂房，吊车的吨位不大。因此在设计分析时，当柱距较小(<9m)，吊车梁采用加宽上翼缘的实腹式工形截面梁，以满足侧向稳定的要求；当柱距为9m～18m时，由于采用加宽上翼缘的方式通常需较大的翼缘，故采用制动桁架体系。②同样对檩条和墙架粱，当跨度大于9m时，因采用实腹式变得很不经济或规格常受到限制，故采用桁架式。当跨度小于9m时，檩条和墙架梁采用冷弯薄壁型钢，详见参考文献。③另外，本文在用钢量计算中，未对节点进行详细的设计，而是根据以往的经验，将构件用钢量乘1.1～1.4的放大系数，作为构件的总用钢量。④本文各构件最危险截面考虑稳定后最大应力(折算应力)控制在设计值的90％左右。
图2.a
跨，
吨吊车 图2.b
跨，
吨吊车
图2.a～c给出了根据以上条件分析得到的涿州厂和万荣厂各自在2x24m跨，2x(10+20)t吊车，2x18m跨，2x(3+5)t吊车及15m单跨，2t吊车条件下，各单项用钢量及总用钢量随柱距的变化情况(单位：kg/m2)。
从上图可以看出：①、对门式刚架轻型钢结构体系而言，刚架用钢量是最主要的，当刚架跨度较小时，刚架用钢量甚至占总用钢量的50％以上，而其它各单用钢量，特别是墙架梁、柱间支撑、屋面支撑，其用钢量只占比例较小的一部分，因此，如何设计好门式刚架对降低总用钢量具有重要意义。②、随着柱距的增大，作为整个厂房结构“用钢量大户”的刚架，其用钢量比率是逐渐下降的，并且随柱距的增加，下降的幅度逐渐趋于平缓。③、其它各项的用钢量均随柱距的增加而增加，并且增幅较大，特别是吊车梁，由于柱距较大，须采用格构形式，其用钢量逐渐占主要地位，并最终超过了刚架的用钢量。其次是檩条，因长细比的要求，用钢量增加也较快。④、整个单层厂房上部结构，其总用钢量随柱距的增加先是逐渐减少，而后增加。呈“浴盆曲线”，这表明，就用钢量指标而言，还是存在一个最优柱距的。当然，由于不同人员在设计同一结构时时，各设计方案可能在结构体系，围护布置等选择上有所差别，从而各用钢量指标不尽相同，但其用钢量变化趋势及上述结论是一致的。综合各项用钢量表明，对此特定的厂房而言，其由设计用钢量确定的最优柱距在6~8m。研究还表明，而对其它跨度和吊车吨位的情况，最优柱距是不断变化的。图2.d~f还给出了无吊车情况，用钢量随柱距的变化情况。同样，我们可以得出类似的结论，不同的是，无吊车时，不仅总用钢量大大减少（因吊车梁用钢量占很大比例），而且最优柱距也有所变化，并有变大的趋势，在上述条件下，其最优柱距在8-9米。
以上仅是针对本工程的实际情况，对门式刚架轻型钢结构体系的每平米用钢量与柱距的关系所作的讨论。实际上，影响最优柱距及设计用钢量的因素众多，如目前研究方兴未艾的蒙皮效应，空间协同作用等等，在此不再作详细讨论。
4.1 门式刚架的应用和展望
单层刚架中，轻型门式刚架的应用最为普遍。它是现阶段国内轻钢结构的代表，也是市场需求量最大的一种钢结构形式。门式刚架按结构形式可分为实腹式和格构式。后者主要用于净跨度较大的建筑，而实腹式门式刚架由于其外形美观、线条醒目、安装方便、节省钢材和易于实现构件制作标准化的特点，被广泛应用于单层工业厂房、超市、展览馆、体育馆或仓库式工业建筑，取得了非常好的经济与社会效益。
门式刚架轻钢厂房结构是轻钢结构的重要分支，这种房屋具有重量轻、用钢省、造价低、在7度及以下地区不需考虑抗震、形式美观具有现代感、用途广泛、制作简单、施工周期短，深受制作、施工企业和广大用户欢迎。这种结构已成为钢结构行业甚至整个建筑业中发展最快的一种结构类型，每年新增建筑面积400多万平米，已在很大程度上取代了传统的混凝土工业厂房，取得了重大的经济效益。轻型门式刚架作为轻钢结构建筑体系中最具有生命力的结构形式，正在把我国轻型钢结构体系的建设推向一个新高潮，可以预见不久的将来它的应用前景更为广阔。
5.1结论
轻型钢结构工业厂房的规范化设计尚处于探索阶段，96年建设部已组织有关专家编写《门式刚架房屋钢结构设计规程》(草稿)。为加强对这方面的研究，本文通过对笔者从事的几个实际工程实例的设计中遇到的一些问题及解决办法的探讨。希望起到抛砖引玉的作用。
参考文献
[1]弓晓芸 轻型钢结构建筑体系的发展及展望《工业建筑》 1995 Vol.25 No.7
[2]郭彦林 轻型钢结构工业厂房的主要结构形式—山型门式实腹式刚架结构 《工业建筑》 1997 Vol.27 No.3
[3]中国建筑标准设计研究所 《轻型钢结构设计资料集》中国建工工业出版社
[4]赵熙元等主编 《建筑钢结构设计手册》冶金工业出版社，1995
