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摘要：文章从荷载选取、平立面布置、构件布置等方面分析了影响门式钢架轻型房屋钢结构经济性的一些因素，给广大结构设计人员提供一些参考。
关键词：门式刚架；轻型房屋钢结构；吊挂荷载；刚架的活荷载；檀条活荷载
中图分类号：TU8 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0014-02
门式刚架这种结构形式走进人们的视线是在1910年布鲁塞尔世博会上的德国机械工程展厅。此后，门式刚架结构以其受力体系清晰、工厂化标准化生产程度高、施工速度快、用钢量省等优点在世界各地得到了快速的发展，尤其在工业建筑领域。2002年新的规程使用以后，国内的门式刚架结构进入了前所未有的繁荣期。
伴随着门式刚架的大量使用，除了注重结构的适用性和安全性以外，建设单位对经济性的要求越来越关心。很多设计人员醉心于研究程序的设计参数的取值，认为准确地选取设计参数才能获得最准确的计算结果和最好的经济性。事实上结构的经济性更多地决定于计算之前对建筑工艺要求的准确分析和结构选择，以及基于以上两点的荷载选取、平立面布置、构件布置等工作。换言之，在满足工艺要求的前提下，准确的取定荷载、选择合适的平立面形状、在合适的地方使用合适的构件才能获得安全性与经济性的最佳结合。而不是绞尽脑汁将一些与实际工况不符的荷载作用下进行的，也不是在最佳受力形式的构件内力计算的，哪怕分毫不差。
作者结合自身设计的经验对影响门式钢架轻型房屋钢结构经济性的一些因素做了一些探究，以期抛砖引玉，给广大结构设计人员提供一些参考。
1荷载
1.1吊挂荷载
吊挂荷载指悬挂在屋面系统上的附加荷载，通常有装饰吊顶、消防喷淋、灯光照明、空调通风以及工艺要求的其他设备荷载。吊挂荷载对安全性和经济性影响很大，设计时应尽量得到确切的吊挂荷载信息，比如吊挂的性质、吊挂的范围以及大概的吊挂单位面积重量。吊挂荷载的作用范围取决于吊挂的范围，不能确定时宜按活荷载输入，并考虑不利布置情况。一般情况下按恒载计算，也可以获得较好的经济性。
吊挂荷载的吊点如果吊在檩条上，对檩条的用钢量影响很大，而且还会带来安全隐患，设计前必须咨询业主，并在设计说明里注明吊挂荷载的吊点。当吊挂荷载很大时，建议业主把吊挂荷载放在刚架上，确有必要时，可考虑另加型钢（独立或替换檩条）承受刚架之间的吊点。
1.2 刚架的活荷载
刚架的活荷载包括屋面竖向均布活荷载、雪荷载、积灰荷载等。对于常见的双跨单脊双坡刚架屋面均布活荷载考虑为施工阶段的活荷载，当屋面从一边往另外一边施工时，施工边的跨中弯矩最大。雪荷载在较小坡度时，是按均匀分布的，没有不利布置的情况。人为影响下可能出现不利布置，比如雪后有可能上人清理积雪，一边清完之后，对于另一边的跨中弯矩，就是最不利的情况，积灰荷载同理。基于上述情况，出于安全储备，建议对刚架采用活荷载不利布置。
1.3 檩条活荷载
檩条的活荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载等。简支檩条没有不利布置的概念，这里只针对连续檩条来说。雪荷载和积灰荷载，不存在隔跨布置的情况，因此没有活荷载不利布置。由于采用连续檩条时计算截面比简支檩条已经偏小了，考虑到施工过程中可能的人员和堆载存在一定不利布置的可能性，建议考虑活荷载不利布置，计算应力可以取大点。
2跨度
以下是5组算例的数据，这些算例除跨度不同外，柱距和檐高均为6米，荷载等其他条件均相同，表中的用钢量不含支撑、系杆、抗风柱等次结构。
厂房总宽度（米） 跨度布置 用钢量（千克/平方米）
36 一跨36米 18.3
两跨18+18米 11.3
42 一跨42米 21.7
两跨18+24米 13.1
60 两跨30+30米 15.6
三跨18+24+18米 11.7
72 两跨36+36米 20.6
三跨24+24+24米 11.7
90 两跨45+45米 23.2
三跨24+24+24米 16.2
通过对比上述数据可以看到，增加中间柱减少厂房单跨跨度，对提高经济性的效果非常显著。当然，设不设中间柱要根据工艺等各方面的要求做综合考虑，但是在确定方案时，向业主提供专业咨询信息，帮助业主合理安排建设资金应该是会受到业主欢迎的。
3柱距
我们首先看一组数据，下表是一个跨度30米、檐高7米的单层单跨厂房的计算数据，用钢量单位全部按建筑面积折算成kg/m2。结构的荷载为：屋面恒载0.2、附加吊载0.2、屋面活载0.3、基本风压0.5、基本雪压0.3（kn/m2）。
柱距
6米 7米 8米 9米
刚架用钢 17.7 15.7 14.2 13.2
支撑、系杆等用钢量 7.3 7.6 7.9 8.4
屋面檩条
（Z形连续） 檩条规格 Z150-20 Z200-16 Z200-20 Z250-20
檩距（mm） @1700 @1500 @1500 @1500
用钢量 2.78 3.17 4.00 4.39
墙面檩条
（C形简支） 檩条规格 C200-16 C200-20 C250-20 C250-25
檩距（mm） @1750 @1750 @1750 @1400
用钢量 1.58 2.00 2.20 2.64
总用钢量 29.4 28.5 28.3 28.6
从表中的数据我们能够看到，通常情况下主刚架的单位用钢量随柱距增大而减小，而檩条、吊车梁、支撑系统的单位用钢量随柱距增大而加大，综合来说最优柱距一般在7.5～8米左右。鉴于檩条构件钢材的单价要高于刚架钢材，确认柱距时，可考虑优先通过计算檩条来确定合适的柱距。 4檐口高度
其他因素相同时，结构用钢量随檐口高度增加而加大。这不仅仅是由于柱加长了，更重要的是柱子长细比大了会使结构的侧向刚度降低，柱顶在水平荷载作用下的侧移增大，要控制柱顶位移值，必须增加柱截面尺寸。
5钢材材质
当构件截面由强度控制时，采用Q345钢材；由挠度、稳定或位移控制时，采用Q235钢材。Q235和Q345单价差别不大，一般来说使用高强材料能节省造价。
刚架优先选用Q345，当计算结果是挠度控制，即挠度刚好满足而应力有富余，此时宜首先尝试改变弯矩分配，通过加大梁柱节点附近的截面，减小跨中截面或者尝试把柱脚做成刚接，使钢梁跨中的弯矩减小，与柱连接处的弯矩增大。当上述措施经济效果并不明显的时候，可考虑改用Q235加大截面并比较经济性。当计算结果是由位移控制，即位移刚好满足而应力有富余，此时宜首先尝试增加刚架的侧向刚度，比如把中柱要做成下铰上刚，进而把边柱甚至中柱做成刚接。效果不好时再改用Q235加大截面并比较经济性。
檩条也是优先选用Q345连续檩条。当由挠度控制时，宜尝试加高檩条高度，减薄檩条厚度，效果不明显时，则改用Q235加大截面。当截面由风吸力下翼缘稳定控制时，考虑采用双层拉条。同样的，吊车梁也优先选用Q345，如果计算结果由挠度控制，可改用Q235，当计算结果由整体稳定控制，考虑增设制动系统。
6支撑系统
厂房在纵向要满足钢规的强支撑框架假定要求，才能按无侧移框架柱来确定计算长度，即柱子的平面外计算长度系数取1。与普钢不同，轻钢可以考虑蒙皮效应对刚度的影响，两个边柱的纵向柱间支撑加上墙面的蒙皮效应，纵向刚度是很大的，故符合假定。但是对于中柱，由于无蒙皮效应，纵向刚度全部由柱间支撑来提供，应尽量采用刚度大的支撑体系。在各种类型的柱间支撑中，交叉支撑的刚度最大，门式支撑相对最小同时门式支撑的用钢量又远大于交叉支撑。故满足工艺要求的情况下应避免采用门式支撑，或者局部采用门式支撑。
影响门式钢架轻型房屋钢结构经济性的因素还远不止上述这些方面，比如地质条件、基础形式、吊车情况、屋面坡度、不同规格材料的市场价格等。没有完全相同的两个建筑，任何规律都不能公式化地解决问题，要求设计人员要具体工程具体分析，有针对性的进行分析和优化，只有这样才能达到安全性和经济性的最佳平衡。
参考文献
[1]余安胜，叶修喜.谈轻型门式刚架厂房的优化设计[J].工程建设与设计，2010，（6）.
[2]陶登科.门式刚架轻型钢结构厂房最优柱距研究[D].青岛理工大学，2010.
关键词：门式刚架；轻型房屋钢结构；吊挂荷载；刚架的活荷载；檀条活荷载
中图分类号：TU8 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0014-02
门式刚架这种结构形式走进人们的视线是在1910年布鲁塞尔世博会上的德国机械工程展厅。此后，门式刚架结构以其受力体系清晰、工厂化标准化生产程度高、施工速度快、用钢量省等优点在世界各地得到了快速的发展，尤其在工业建筑领域。2002年新的规程使用以后，国内的门式刚架结构进入了前所未有的繁荣期。
伴随着门式刚架的大量使用，除了注重结构的适用性和安全性以外，建设单位对经济性的要求越来越关心。很多设计人员醉心于研究程序的设计参数的取值，认为准确地选取设计参数才能获得最准确的计算结果和最好的经济性。事实上结构的经济性更多地决定于计算之前对建筑工艺要求的准确分析和结构选择，以及基于以上两点的荷载选取、平立面布置、构件布置等工作。换言之，在满足工艺要求的前提下，准确的取定荷载、选择合适的平立面形状、在合适的地方使用合适的构件才能获得安全性与经济性的最佳结合。而不是绞尽脑汁将一些与实际工况不符的荷载作用下进行的，也不是在最佳受力形式的构件内力计算的，哪怕分毫不差。
作者结合自身设计的经验对影响门式钢架轻型房屋钢结构经济性的一些因素做了一些探究，以期抛砖引玉，给广大结构设计人员提供一些参考。
1荷载
1.1吊挂荷载
吊挂荷载指悬挂在屋面系统上的附加荷载，通常有装饰吊顶、消防喷淋、灯光照明、空调通风以及工艺要求的其他设备荷载。吊挂荷载对安全性和经济性影响很大，设计时应尽量得到确切的吊挂荷载信息，比如吊挂的性质、吊挂的范围以及大概的吊挂单位面积重量。吊挂荷载的作用范围取决于吊挂的范围，不能确定时宜按活荷载输入，并考虑不利布置情况。一般情况下按恒载计算，也可以获得较好的经济性。
吊挂荷载的吊点如果吊在檩条上，对檩条的用钢量影响很大，而且还会带来安全隐患，设计前必须咨询业主，并在设计说明里注明吊挂荷载的吊点。当吊挂荷载很大时，建议业主把吊挂荷载放在刚架上，确有必要时，可考虑另加型钢（独立或替换檩条）承受刚架之间的吊点。
1.2 刚架的活荷载
刚架的活荷载包括屋面竖向均布活荷载、雪荷载、积灰荷载等。对于常见的双跨单脊双坡刚架屋面均布活荷载考虑为施工阶段的活荷载，当屋面从一边往另外一边施工时，施工边的跨中弯矩最大。雪荷载在较小坡度时，是按均匀分布的，没有不利布置的情况。人为影响下可能出现不利布置，比如雪后有可能上人清理积雪，一边清完之后，对于另一边的跨中弯矩，就是最不利的情况，积灰荷载同理。基于上述情况，出于安全储备，建议对刚架采用活荷载不利布置。
1.3 檩条活荷载
檩条的活荷载包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载等。简支檩条没有不利布置的概念，这里只针对连续檩条来说。雪荷载和积灰荷载，不存在隔跨布置的情况，因此没有活荷载不利布置。由于采用连续檩条时计算截面比简支檩条已经偏小了，考虑到施工过程中可能的人员和堆载存在一定不利布置的可能性，建议考虑活荷载不利布置，计算应力可以取大点。
2跨度
以下是5组算例的数据，这些算例除跨度不同外，柱距和檐高均为6米，荷载等其他条件均相同，表中的用钢量不含支撑、系杆、抗风柱等次结构。
厂房总宽度（米） 跨度布置 用钢量（千克/平方米）
36 一跨36米 18.3
两跨18+18米 11.3
42 一跨42米 21.7
两跨18+24米 13.1
60 两跨30+30米 15.6
三跨18+24+18米 11.7
72 两跨36+36米 20.6
三跨24+24+24米 11.7
90 两跨45+45米 23.2
三跨24+24+24米 16.2
通过对比上述数据可以看到，增加中间柱减少厂房单跨跨度，对提高经济性的效果非常显著。当然，设不设中间柱要根据工艺等各方面的要求做综合考虑，但是在确定方案时，向业主提供专业咨询信息，帮助业主合理安排建设资金应该是会受到业主欢迎的。
3柱距
我们首先看一组数据，下表是一个跨度30米、檐高7米的单层单跨厂房的计算数据，用钢量单位全部按建筑面积折算成kg/m2。结构的荷载为：屋面恒载0.2、附加吊载0.2、屋面活载0.3、基本风压0.5、基本雪压0.3（kn/m2）。
柱距
6米 7米 8米 9米
刚架用钢 17.7 15.7 14.2 13.2
支撑、系杆等用钢量 7.3 7.6 7.9 8.4
屋面檩条
（Z形连续） 檩条规格 Z150-20 Z200-16 Z200-20 Z250-20
檩距（mm） @1700 @1500 @1500 @1500
用钢量 2.78 3.17 4.00 4.39
墙面檩条
（C形简支） 檩条规格 C200-16 C200-20 C250-20 C250-25
檩距（mm） @1750 @1750 @1750 @1400
用钢量 1.58 2.00 2.20 2.64
总用钢量 29.4 28.5 28.3 28.6
从表中的数据我们能够看到，通常情况下主刚架的单位用钢量随柱距增大而减小，而檩条、吊车梁、支撑系统的单位用钢量随柱距增大而加大，综合来说最优柱距一般在7.5～8米左右。鉴于檩条构件钢材的单价要高于刚架钢材，确认柱距时，可考虑优先通过计算檩条来确定合适的柱距。 4檐口高度
其他因素相同时，结构用钢量随檐口高度增加而加大。这不仅仅是由于柱加长了，更重要的是柱子长细比大了会使结构的侧向刚度降低，柱顶在水平荷载作用下的侧移增大，要控制柱顶位移值，必须增加柱截面尺寸。
5钢材材质
当构件截面由强度控制时，采用Q345钢材；由挠度、稳定或位移控制时，采用Q235钢材。Q235和Q345单价差别不大，一般来说使用高强材料能节省造价。
刚架优先选用Q345，当计算结果是挠度控制，即挠度刚好满足而应力有富余，此时宜首先尝试改变弯矩分配，通过加大梁柱节点附近的截面，减小跨中截面或者尝试把柱脚做成刚接，使钢梁跨中的弯矩减小，与柱连接处的弯矩增大。当上述措施经济效果并不明显的时候，可考虑改用Q235加大截面并比较经济性。当计算结果是由位移控制，即位移刚好满足而应力有富余，此时宜首先尝试增加刚架的侧向刚度，比如把中柱要做成下铰上刚，进而把边柱甚至中柱做成刚接。效果不好时再改用Q235加大截面并比较经济性。
檩条也是优先选用Q345连续檩条。当由挠度控制时，宜尝试加高檩条高度，减薄檩条厚度，效果不明显时，则改用Q235加大截面。当截面由风吸力下翼缘稳定控制时，考虑采用双层拉条。同样的，吊车梁也优先选用Q345，如果计算结果由挠度控制，可改用Q235，当计算结果由整体稳定控制，考虑增设制动系统。
6支撑系统
厂房在纵向要满足钢规的强支撑框架假定要求，才能按无侧移框架柱来确定计算长度，即柱子的平面外计算长度系数取1。与普钢不同，轻钢可以考虑蒙皮效应对刚度的影响，两个边柱的纵向柱间支撑加上墙面的蒙皮效应，纵向刚度是很大的，故符合假定。但是对于中柱，由于无蒙皮效应，纵向刚度全部由柱间支撑来提供，应尽量采用刚度大的支撑体系。在各种类型的柱间支撑中，交叉支撑的刚度最大，门式支撑相对最小同时门式支撑的用钢量又远大于交叉支撑。故满足工艺要求的情况下应避免采用门式支撑，或者局部采用门式支撑。
影响门式钢架轻型房屋钢结构经济性的因素还远不止上述这些方面，比如地质条件、基础形式、吊车情况、屋面坡度、不同规格材料的市场价格等。没有完全相同的两个建筑，任何规律都不能公式化地解决问题，要求设计人员要具体工程具体分析，有针对性的进行分析和优化，只有这样才能达到安全性和经济性的最佳平衡。
参考文献
[1]余安胜，叶修喜.谈轻型门式刚架厂房的优化设计[J].工程建设与设计，2010，（6）.
[2]陶登科.门式刚架轻型钢结构厂房最优柱距研究[D].青岛理工大学，2010.