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【摘要】轻钢结构设计对于建筑工程钢结构设计来说具有十分重要的作用，对于钢结构设计的发展也是具有重大意义的，因此我们应该加强对于轻钢结构设计的探讨。由于我国在建筑行业，特别是在轻型钢结构建筑方面的发展还不是很好，在施工设计中还存在着很多的问题，因此，应该在轻钢厂房的设计方面多做研究。并且由于我国的轻钢结构厂房的需求量不断增加，做好轻钢结构厂房的设计就会更加的重要。下面笔者就通过自己的研究和工作经验对于轻钢结构钢架厂房的结构设计进行分析。
【关键字】轻钢结构，厂房设计，分析研究
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
在建筑结构设计中，轻型钢钢架的设计是比较常见的，但是，其设计并不是十分的容易。如何进行轻型钢结构的设计是我们进行设计时首要考虑的问题。但由于目前国内系统的论述轻钢结构的书籍还比较缺乏，设计人员大都根据《轻型房屋钢结构技术规程》和《钢结构设计规范》进行设计，而部分结构设计人员从事设计时间不长，对设计规程、规范理解不够全面，对轻钢结构厂房的设计经验不足，以致在设计中出现技术经济不合理现象，甚至造成安全隐患。
二、轻钢结构典型优势
轻钢结构属轻型钢结构的一种类型，其结构体系，简言之，是由刚架为承重结构，配套轻型屋盖和墙体围护结构，以及相应的支撑系统所组成的结构体系。轻钢结构和其他材料的结构相比，具有如下优点 。
（一）自重轻
轻钢框架结构重量比很高，墙厚较薄，因此可以使房屋的跨度达到很大，钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，使用面积较其他结构要提高很多。这种截面模数大，具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。轻钢结构与混凝土结构相比，自重约为后者的一半 。在工程设计中可以根据实际情况达到个性化的要求 。
（二）结构稳定性好，抗震性能突出
轻钢框架结构稳定性良好 ，钢梁、钢柱组成柔性框架，可充分发挥钢材强度高、延性好 、塑性变形能力强的特点，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲 、震动的能力得以强化。一般而言，其抗震能力是砖混结构的2倍以上，在高烈度的地震灾害后，用于修复的费用减少 。而且适合建造在各种地质条件的地基上，提高了结构的安全可靠性 。
（三）施工速度快
一般情况下，轻钢框架结构建筑的施工由于设计标准化、定型化，构件加工制作工业化，另外加上现场安装施工的过程中不受气候影响，简单快捷，时间相对钢混结构住宅缩短工时1／3~1／2，加快了资金周转，大大提高了投资回报速度 。
三、轻型钢结构厂房的优化设计
1. 刚架最优柱距的确定
刚架的柱距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关。随着刚架柱距的增大，刚架用钢量是逐步下降的，但当柱距增大到一定的数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降后上升。大量计算数据表明：一般情况下，门式刚架的最优柱距为6—9 m，柱距不宜超过9m，超过9m屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。因此，从综合分析的角度看，确定合理的柱距才能既节省钢材，又使设计真正做到定型化、专门化、标准化以及轻型化，从而推动门式刚架轻型房屋结构体系在我国的发展。
2．合理跨度的确定
在设计中，应该根据具体房屋的高度来确定合理的跨度，总体来说，当荷载和柱高一定时，我们在设计中就应适当加大房屋的跨度，这样一来，刚架的用钢量整体增加不明显，但却很大程度上节省了空间。通过大量计算得出：当檐口高度为7 m、柱距8．5 m，荷载情况完全一致的情况下，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量为18～35 kg／m²，当檐口高度为12 m时(其他情况相同)，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量(Q235一B)为25—40 kg／m²，因此，在工艺要求允许的情况下，设计人员选择方案时应选择较为经济合理的跨度，不宜盲目追求大跨度。
3. 截面优化设计
实现截面优化的方法主要有两种：
（一）穷举法。首先仔细计算和比较各种合理的构件截面形式，并在满足具体设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低作为控制条件，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的变化以达到节约钢材的目的。除腹板的高度变化外，厚度也可根据需要变化，上、下翼缘可以用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同的截面形式。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上、下翼缘宽度、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。工程设计从形式上来说，是一种非常严格的力学和数学方法的精确运算过程。
（二）用最优化理论。首先可以把问题归纳为一个单目标的问题，用钢量最少或造价最低最为优化的具体目标函数，应力、位移等可以作为约束条件，最后用我们的数学方法得到最满意的解。
事实上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的、具有主观色彩的决策问题。所以，完全用最优化理论来解决截面优化设计有很大的复杂性。当设计人员决定了结构形式后，截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸，经过试算来确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少，而且可以人工干预截面优化范围，快速的得到比较理想的截面尺寸。
4. 柱脚设计
轻钢结构柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但部分轻钢节结构厂房都有吊车，依据《轻钢结构刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：用于工业厂房且有5 t以上的桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接；《技术措施结构2003)规定：当设有桥式和梁式吊车时，轻钢结构刚架柱宜采用等截面构件，柱脚应设计成刚接。因此5 t以上的桥式和梁式吊车的门刚结构柱脚应设计成刚接；3 t及以下悬挂式吊车和无吊车的门刚结构，柱脚才可以设计成铰接。有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。
同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50 mm，柱脚刚接时不宜大于100 mm。
五．结束语
近年来，我国的建筑工程建设事业也在快速的发展着，同时由于近些年我国彩色刚的产量的增加，轻型钢逐渐在建筑工程中的应用越来越普遍，已经成为现代大跨度厂房的首选了。轻型钢门式钢架结构在建筑结构设计中是普遍存在的，因为这种结构设计具有很强的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。但是这种钢结构设计在某些地区目前还不是很成熟，在建筑工程中的应用不是很好。因此，为了更大范围的发挥这种结构设计的优势，确保这种钢结构设计的质量，我们就需要对该种钢结构设计进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计技术，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。
参考文献：
[1] 白洪源; 余洋 关于轻钢厂房结构设计的几处解惑工程建设与设计2011-08-20期刊
[2] 贺剑 门式刚架轻钢结构厂房的鉴定与加固方法研究同济大学2008-03-01碩士
[3] 邹剑强; 付桂宏; 徐克利 设有100/20t吊车的重型钢结构厂房结构设计建筑结构2006-06-15期刊
[4]徐可心; 杨金澄 浅谈轻型门式钢架结构厂房的设计吉林省土木建筑学会2011年学术年会论文集2011-12-06中国会议
[5]邱孝朗 轻型钢结构门式刚架厂房结构设计探讨中国高新技术企业2011-10-01期刊
[6]宋新利 门式钢架变截面斜梁设计探讨[J]河南省土木建筑学会2010年学术研讨会论文集2010-08-01
【关键字】轻钢结构，厂房设计，分析研究
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
在建筑结构设计中，轻型钢钢架的设计是比较常见的，但是，其设计并不是十分的容易。如何进行轻型钢结构的设计是我们进行设计时首要考虑的问题。但由于目前国内系统的论述轻钢结构的书籍还比较缺乏，设计人员大都根据《轻型房屋钢结构技术规程》和《钢结构设计规范》进行设计，而部分结构设计人员从事设计时间不长，对设计规程、规范理解不够全面，对轻钢结构厂房的设计经验不足，以致在设计中出现技术经济不合理现象，甚至造成安全隐患。
二、轻钢结构典型优势
轻钢结构属轻型钢结构的一种类型，其结构体系，简言之，是由刚架为承重结构，配套轻型屋盖和墙体围护结构，以及相应的支撑系统所组成的结构体系。轻钢结构和其他材料的结构相比，具有如下优点 。
（一）自重轻
轻钢框架结构重量比很高，墙厚较薄，因此可以使房屋的跨度达到很大，钢材可根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，使用面积较其他结构要提高很多。这种截面模数大，具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。轻钢结构与混凝土结构相比，自重约为后者的一半 。在工程设计中可以根据实际情况达到个性化的要求 。
（二）结构稳定性好，抗震性能突出
轻钢框架结构稳定性良好 ，钢梁、钢柱组成柔性框架，可充分发挥钢材强度高、延性好 、塑性变形能力强的特点，以吸收部分地震能量，房屋的抗拉伸、扭曲 、震动的能力得以强化。一般而言，其抗震能力是砖混结构的2倍以上，在高烈度的地震灾害后，用于修复的费用减少 。而且适合建造在各种地质条件的地基上，提高了结构的安全可靠性 。
（三）施工速度快
一般情况下，轻钢框架结构建筑的施工由于设计标准化、定型化，构件加工制作工业化，另外加上现场安装施工的过程中不受气候影响，简单快捷，时间相对钢混结构住宅缩短工时1／3~1／2，加快了资金周转，大大提高了投资回报速度 。
三、轻型钢结构厂房的优化设计
1. 刚架最优柱距的确定
刚架的柱距与刚架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关。随着刚架柱距的增大，刚架用钢量是逐步下降的，但当柱距增大到一定的数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大其下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、墙梁的用钢量随着柱距的增大而增加，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降后上升。大量计算数据表明：一般情况下，门式刚架的最优柱距为6—9 m，柱距不宜超过9m，超过9m屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加太多，综合造价并不经济。因此，从综合分析的角度看，确定合理的柱距才能既节省钢材，又使设计真正做到定型化、专门化、标准化以及轻型化，从而推动门式刚架轻型房屋结构体系在我国的发展。
2．合理跨度的确定
在设计中，应该根据具体房屋的高度来确定合理的跨度，总体来说，当荷载和柱高一定时，我们在设计中就应适当加大房屋的跨度，这样一来，刚架的用钢量整体增加不明显，但却很大程度上节省了空间。通过大量计算得出：当檐口高度为7 m、柱距8．5 m，荷载情况完全一致的情况下，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量为18～35 kg／m²，当檐口高度为12 m时(其他情况相同)，跨度在18—48 m之间的刚架单位用钢量(Q235一B)为25—40 kg／m²，因此，在工艺要求允许的情况下，设计人员选择方案时应选择较为经济合理的跨度，不宜盲目追求大跨度。
3. 截面优化设计
实现截面优化的方法主要有两种：
（一）穷举法。首先仔细计算和比较各种合理的构件截面形式，并在满足具体设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低作为控制条件，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的变化以达到节约钢材的目的。除腹板的高度变化外，厚度也可根据需要变化，上、下翼缘可以用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同的截面形式。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上、下翼缘宽度、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。工程设计从形式上来说，是一种非常严格的力学和数学方法的精确运算过程。
（二）用最优化理论。首先可以把问题归纳为一个单目标的问题，用钢量最少或造价最低最为优化的具体目标函数，应力、位移等可以作为约束条件，最后用我们的数学方法得到最满意的解。
事实上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的、具有主观色彩的决策问题。所以，完全用最优化理论来解决截面优化设计有很大的复杂性。当设计人员决定了结构形式后，截面优化比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸，经过试算来确定重量最小的截面。这种方法不但计算次数少，而且可以人工干预截面优化范围，快速的得到比较理想的截面尺寸。
4. 柱脚设计
轻钢结构柱脚形式有两种：即铰接柱脚和刚接柱脚。对于铰接柱脚，基础仅受轴心荷载作用，设计相对比较简单。但部分轻钢节结构厂房都有吊车，依据《轻钢结构刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：用于工业厂房且有5 t以上的桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接；《技术措施结构2003)规定：当设有桥式和梁式吊车时，轻钢结构刚架柱宜采用等截面构件，柱脚应设计成刚接。因此5 t以上的桥式和梁式吊车的门刚结构柱脚应设计成刚接；3 t及以下悬挂式吊车和无吊车的门刚结构，柱脚才可以设计成铰接。有较大吊车的房屋，柱顶位移较大，柱脚采用刚接，使得每榀刚架形成超静定结构，不但能减小柱顶位移而且具有更大的安全储备。对于高宽比和风荷载较大的无吊车门刚结构，柱脚也宜设计成刚接。
同时当柱底板与混凝土基础间的摩阻力不足以抵抗全部的水平剪力时柱脚还应设置抗剪键，抗剪键的设置需要计算。在基础施工时应留置键槽，键槽每侧宽出抗剪键不小于30 mm，底部空隙高度不小于20mm。在柱脚底板和基础顶面之间留有一定空间，柱脚铰接时不宜大于50 mm，柱脚刚接时不宜大于100 mm。
五．结束语
近年来，我国的建筑工程建设事业也在快速的发展着，同时由于近些年我国彩色刚的产量的增加，轻型钢逐渐在建筑工程中的应用越来越普遍，已经成为现代大跨度厂房的首选了。轻型钢门式钢架结构在建筑结构设计中是普遍存在的，因为这种结构设计具有很强的优势，是其他一些建筑结构设计所无法比拟的。但是这种钢结构设计在某些地区目前还不是很成熟，在建筑工程中的应用不是很好。因此，为了更大范围的发挥这种结构设计的优势，确保这种钢结构设计的质量，我们就需要对该种钢结构设计进行分析，克服在轻型钢门式结构设计中存在的问题，掌握其设计技术，使轻型钢门式结构设计得到更大的发展。
参考文献：
[1] 白洪源; 余洋 关于轻钢厂房结构设计的几处解惑工程建设与设计2011-08-20期刊
[2] 贺剑 门式刚架轻钢结构厂房的鉴定与加固方法研究同济大学2008-03-01碩士
[3] 邹剑强; 付桂宏; 徐克利 设有100/20t吊车的重型钢结构厂房结构设计建筑结构2006-06-15期刊
[4]徐可心; 杨金澄 浅谈轻型门式钢架结构厂房的设计吉林省土木建筑学会2011年学术年会论文集2011-12-06中国会议
[5]邱孝朗 轻型钢结构门式刚架厂房结构设计探讨中国高新技术企业2011-10-01期刊
[6]宋新利 门式钢架变截面斜梁设计探讨[J]河南省土木建筑学会2010年学术研讨会论文集2010-08-01