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摘要: 随着门式刚架结构在建筑行业中越来越广泛的应用，门式刚架用钢量问题就越显重要。设计用钢量的多少是评价设计优劣的一项重要指标，本文针对影响门式刚架用钢量柱距、跨度、屋面坡度等多方面进行了分析比较，供设计人员参考。
关键词：门式刚架；用钢量；影响因素
Abstract: With the portal frame structure is more and more widely used in the construction industry, the portal steel frame of the problem is more important. The design of many steel capacity is an important index to evaluate the quality of design, the effect of portal steel frame of spacing, span, roof slope and other aspects are analyzed and compared, which can be a reference for designers.
Key words: Keywords: portal frame; steel; influencing factors
中圖分类号：TU328文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、概述
门式刚架房屋钢结构是近年来我国发展最快的一种新型钢结构，它因具有施工安装方便快捷、施工速度快、建筑造型美观、造价低廉、抗震性能好等优点而在建筑行业中得到越来越广泛的应用。目前广泛应用于单层工业厂房、车站候车室、娱乐体育设施、仓库、购物中心、展览厅、加层建筑等工业与民用建筑中。
门式刚架通常用于跨度9~36米，柱距6~9米，柱高4.5~12米，设有较小起重量（不大于20吨）的情形，结构设计时，刚架的坡度、柱距、跨度、柱高、吊车吨位等都是影响设计用钢量的重要因素，如何使结构经济合理、用钢量最省，这一直是各个设计人员讨论的热门话题。本文对柱距、跨度、柱高与刚架用钢量关系进行简单对比分析，从而得出门式刚架柱距、跨度、屋面坡度与门式刚架结构用钢量的影响规律，并依据此规律来实现刚架用钢量最省，结构最为经济合理的最优选型。
门式刚架用钢量的影响因素
2.1 柱距的影响
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。可以发现，随着柱距的增加，整个门式刚架房屋的用钢量随柱距的增加先减少后增加，这表明，就用钢量指标而言，存在一个最优柱距。
经过对大量工程实例统计及计算,柱距7~9米时，总用钢量基本保持稳定，小于7米时，总用钢量随柱距的增大普遍呈降低趋势，降幅随跨度的增大而增加。柱距超过9米时，由于檩条、支撑、墙梁、吊车梁等构件用钢量的大幅度上升，造成总用钢量总体上升。因此，对于常用刚架，建议柱距取7~9米，当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取8~9米；当吊车吨位较大时，柱距可取7米左右，用钢量比常规柱距6米可节省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、品种的规格化等因素的影响。
厂房的实际用钢量还与钢材的供应情况、构件的标准化程度密切相关，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。
2.2、跨度的影响
门式刚架一般跨度为9m~36m，不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房的跨度选择。应在满足生产工艺和使用功能的基础上，确定合理的跨度以取得优良的经济指标。
通过大量的计算发现，柱高6m，柱距6m，坡度1/10，跨度6m~24m，荷载完全相同的情况下，刚架优化后单位用钢量为9.4~15.4㎏/㎡，见下图
由图可以看出，对于小跨度的刚架，6m的单位用钢量比8m和9m的刚架大很多，所以建造小跨度刚架是不经济的。中跨度刚架基本上随着跨度的增大用钢量增大，只是24m刚架用钢量有较大的增大，这是因为其初选截面较大，优化搜索空间相对较小而造成的。总体而言，中小跨度刚架中，9m、12m、18m都是优化结果较为显著的刚架。当跨度超过18m时，宜采用多跨刚架，中间设置摇摆柱，其用钢量较单跨刚架节约18%左右。
厂房跨度一般由生产工艺和使用功能来确定，有时业主要求设计人员根据工艺和使用功能来确定厂房的经济跨度以降低造价。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，而且节省空间，基础造价低，综合效益较好。
2.3、屋面坡度的影响
一直以来，门式刚架结构的屋面坡度大体在1/8~1/20之间，在确定屋面坡度时主要考虑的是屋面排水的要求，雨水较多的地区宜取较大值，雨水较少的地方宜取较小值。当采用石棉瓦、瓦楞铁等材料时，为保证排水的要求，屋面坡度往往取得较大，而当采用压型钢板屋面时，屋面坡度则可以取得较小。屋面承受的荷载由自重、雪荷载、活荷载、风荷载等多种荷载组合而成，从结构受力的角度出发，随着各种屋面荷载的比例不同，门式刚架屋面坡度的变化，就会使结构的内力分布发生变化，要使结构的内力分布更为合理就需要优化屋面坡度，就需要根据自然条件——即荷载条件，来确定屋面坡度的设计
在一定的自然条件下，采用合理的屋面坡度，使结构最不利截面应力减少，进而减少结构的截面尺寸，从而达到节省用钢量的目的。
从经验得知，风、雪等自然条件各不相同，但最优用钢量的变化趋势是基本相同的，在0～60度范围内，用钢量都有一个从大到小然后又逐渐升高的过程，这说明：对于门式刚架，在其他条件不变的情况下，随屋面坡度的变化，用钢量也是不断变化的。
对于跨度24m、柱高8m的轻型门式刚架房屋而言，最优屋面坡度出现在 10-20度之间。轻型门式刚架荷载取值及荷载效应组合，与屋面坡度有关，随屋面坡度的增大，风荷载的影响逐步增大。当屋面坡度较小时，风荷载可视为有利因素，计算刚架设计强度可不考虑其影响；当屋面坡度较大时，风荷载起不利作用，计算刚架设计强度须考虑其影响。屋面坡度在45度以下时，永久荷载为控制荷载，起主要作用；45度以上时，风荷载为控制荷载，起主要作用，其余荷载参与组合。风荷载对屋面最优坡度的影响极大。当活荷载小于风荷载时，屋面最优坡度大约在15度左右；当活荷载大于风荷载时，屋面最优坡度大约在10度左右。
3、结语
以上是结合本人的设计经验对门式刚架用钢量与柱距、跨度、屋面坡度的关系做了简单的分析，此外，门式刚架的用钢量还与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、檐口高度、钢材性能、抗震等级、有无吊车、单跨多跨等条件有关，本文不再阐述。
参考文献
1王元清.门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究.工业建筑，1999，29（6）。
2刘鹏.门式刚架的优化设计.工业建筑，2001，31
3陶钦.中小跨门式刚架用钢量影响参数分析.钢结构，2007.8月刊
4王新武.减小门式刚架用钢量措施分析.2005,20(5)
5《钢结构设计手册》编辑委员会。中国建筑工业出版社。2004
6CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
7GB50017-2003钢结构设计规范
关键词：门式刚架；用钢量；影响因素
Abstract: With the portal frame structure is more and more widely used in the construction industry, the portal steel frame of the problem is more important. The design of many steel capacity is an important index to evaluate the quality of design, the effect of portal steel frame of spacing, span, roof slope and other aspects are analyzed and compared, which can be a reference for designers.
Key words: Keywords: portal frame; steel; influencing factors
中圖分类号：TU328文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
1、概述
门式刚架房屋钢结构是近年来我国发展最快的一种新型钢结构，它因具有施工安装方便快捷、施工速度快、建筑造型美观、造价低廉、抗震性能好等优点而在建筑行业中得到越来越广泛的应用。目前广泛应用于单层工业厂房、车站候车室、娱乐体育设施、仓库、购物中心、展览厅、加层建筑等工业与民用建筑中。
门式刚架通常用于跨度9~36米，柱距6~9米，柱高4.5~12米，设有较小起重量（不大于20吨）的情形，结构设计时，刚架的坡度、柱距、跨度、柱高、吊车吨位等都是影响设计用钢量的重要因素，如何使结构经济合理、用钢量最省，这一直是各个设计人员讨论的热门话题。本文对柱距、跨度、柱高与刚架用钢量关系进行简单对比分析，从而得出门式刚架柱距、跨度、屋面坡度与门式刚架结构用钢量的影响规律，并依据此规律来实现刚架用钢量最省，结构最为经济合理的最优选型。
门式刚架用钢量的影响因素
2.1 柱距的影响
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。可以发现，随着柱距的增加，整个门式刚架房屋的用钢量随柱距的增加先减少后增加，这表明，就用钢量指标而言，存在一个最优柱距。
经过对大量工程实例统计及计算,柱距7~9米时，总用钢量基本保持稳定，小于7米时，总用钢量随柱距的增大普遍呈降低趋势，降幅随跨度的增大而增加。柱距超过9米时，由于檩条、支撑、墙梁、吊车梁等构件用钢量的大幅度上升，造成总用钢量总体上升。因此，对于常用刚架，建议柱距取7~9米，当无吊车或吊车吨位较小时，柱距可取8~9米；当吊车吨位较大时，柱距可取7米左右，用钢量比常规柱距6米可节省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、品种的规格化等因素的影响。
厂房的实际用钢量还与钢材的供应情况、构件的标准化程度密切相关，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。
2.2、跨度的影响
门式刚架一般跨度为9m~36m，不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房的跨度选择。应在满足生产工艺和使用功能的基础上，确定合理的跨度以取得优良的经济指标。
通过大量的计算发现，柱高6m，柱距6m，坡度1/10，跨度6m~24m，荷载完全相同的情况下，刚架优化后单位用钢量为9.4~15.4㎏/㎡，见下图
由图可以看出，对于小跨度的刚架，6m的单位用钢量比8m和9m的刚架大很多，所以建造小跨度刚架是不经济的。中跨度刚架基本上随着跨度的增大用钢量增大，只是24m刚架用钢量有较大的增大，这是因为其初选截面较大，优化搜索空间相对较小而造成的。总体而言，中小跨度刚架中，9m、12m、18m都是优化结果较为显著的刚架。当跨度超过18m时，宜采用多跨刚架，中间设置摇摆柱，其用钢量较单跨刚架节约18%左右。
厂房跨度一般由生产工艺和使用功能来确定，有时业主要求设计人员根据工艺和使用功能来确定厂房的经济跨度以降低造价。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，刚架的用钢量增加不太明显，而且节省空间，基础造价低，综合效益较好。
2.3、屋面坡度的影响
一直以来，门式刚架结构的屋面坡度大体在1/8~1/20之间，在确定屋面坡度时主要考虑的是屋面排水的要求，雨水较多的地区宜取较大值，雨水较少的地方宜取较小值。当采用石棉瓦、瓦楞铁等材料时，为保证排水的要求，屋面坡度往往取得较大，而当采用压型钢板屋面时，屋面坡度则可以取得较小。屋面承受的荷载由自重、雪荷载、活荷载、风荷载等多种荷载组合而成，从结构受力的角度出发，随着各种屋面荷载的比例不同，门式刚架屋面坡度的变化，就会使结构的内力分布发生变化，要使结构的内力分布更为合理就需要优化屋面坡度，就需要根据自然条件——即荷载条件，来确定屋面坡度的设计
在一定的自然条件下，采用合理的屋面坡度，使结构最不利截面应力减少，进而减少结构的截面尺寸，从而达到节省用钢量的目的。
从经验得知，风、雪等自然条件各不相同，但最优用钢量的变化趋势是基本相同的，在0～60度范围内，用钢量都有一个从大到小然后又逐渐升高的过程，这说明：对于门式刚架，在其他条件不变的情况下，随屋面坡度的变化，用钢量也是不断变化的。
对于跨度24m、柱高8m的轻型门式刚架房屋而言，最优屋面坡度出现在 10-20度之间。轻型门式刚架荷载取值及荷载效应组合，与屋面坡度有关，随屋面坡度的增大，风荷载的影响逐步增大。当屋面坡度较小时，风荷载可视为有利因素，计算刚架设计强度可不考虑其影响；当屋面坡度较大时，风荷载起不利作用，计算刚架设计强度须考虑其影响。屋面坡度在45度以下时，永久荷载为控制荷载，起主要作用；45度以上时，风荷载为控制荷载，起主要作用，其余荷载参与组合。风荷载对屋面最优坡度的影响极大。当活荷载小于风荷载时，屋面最优坡度大约在15度左右；当活荷载大于风荷载时，屋面最优坡度大约在10度左右。
3、结语
以上是结合本人的设计经验对门式刚架用钢量与柱距、跨度、屋面坡度的关系做了简单的分析，此外，门式刚架的用钢量还与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、檐口高度、钢材性能、抗震等级、有无吊车、单跨多跨等条件有关，本文不再阐述。
参考文献
1王元清.门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究.工业建筑，1999，29（6）。
2刘鹏.门式刚架的优化设计.工业建筑，2001，31
3陶钦.中小跨门式刚架用钢量影响参数分析.钢结构，2007.8月刊
4王新武.减小门式刚架用钢量措施分析.2005,20(5)
5《钢结构设计手册》编辑委员会。中国建筑工业出版社。2004
6CECS 102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
7GB50017-2003钢结构设计规范