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门式刚架轻钢结构柱网尺寸的合理选用

门式刚架轻钢结构柱网尺寸的合理选用
柴昶 刘迎春
(中国钢结构协会) (包头钢铁设计研究院)
提要  本文结合工程实际设计经验，对影响合理选用柱网尺寸的主要因素，如跨度与柱距的变化，不同钢号的变化、荷载大小的变化以及有无吊车的影响等，进行了较详细的计算比较，并分析了这些因素变化对用钢量影响的基本规律。同时还综合考虑了钢结构安装工期及基础工程等的影响与分析意见，并提出了合理选择柱网尺寸的具体建议，供设计参考。
关键词  门式刚架  用钢量
泊车系统门式刚架轻钢结构的柱网布置首先应满足工艺使用的要求，在设计中往往也是由工艺或业主与建筑师选定柱网尺寸，但是要作到合理的选择柱网尺寸，还离不开结构工程师的参与，这是因为除了工艺使用要求外，柱网尺寸（柱距、跨度等）的合理选定还应综合考虑结构用钢量、工期、基础工程等诸多因素的影响，在这方面结构工程师有责任提出正确的建议，协助决策。本文结合实际工程设计经验及有关资料，针对主要影响柱网合理选用的主要变化因素，如柱距、跨度的变化、不同钢号及荷载大小的变化及有无吊车。工期与基础工程等进行了详细计算比较与分析，目的是得出这些影响的基本规律，从结构工程的角度提出合理选用柱距的建议，供设计参考。
图像识别一、柱网尺寸对结构用钢量的影响               
用钢量直接影响工程的造价，几乎已习惯地成为从结构因素考虑柱网选用时的重要因素，但应注意到，除柱网尺寸这一主要因素外，结构高度、材料强度、荷载大小、有无吊车、单跨多跨等都对结构用钢量变化有明显的综合影响，不能不在分析比较中，一并予以考虑。本文以单跨门式刚架为对象，考虑了不同跨度、不同柱距、不同高度、不同钢号、不同荷载及有无吊车等因素变化对用钢量影响，各用钢量数值均在理论计算基础上参照工程实际经验进行了加工余量及构造余量的增量调整，以更符合工程实际。
（一） 无吊车门式刚架用钢量的分析比较
1．当荷载及跨度条件变化时的用钢量分析
跨度12m～36m及0.3KN/m2、0.6KN/m2、1.0KN/m2三级活荷载的门式刚架用钢量变化列如表1与图1。
从图1可得出以下几点结论意见：
（1）随着跨度由小变大，门式刚架的用钢量曲线呈马鞍形规律变化，较经济的用钢量跨度约在21.00～24.0m跨度区间；
（2）屋面荷载（雪荷、灰荷及吊挂荷载等）增大引起门式刚架用钢量增加，特别当跨度较大时，增幅也较大。当荷载由0.3KN/m2增大到0.6KN/m2时，门式刚架用钢量平均增幅为17％，最大增幅为21.2％；
（3）当跨度超过30m后，用钢量的增幅率明显增大，故单从用钢量的经济性考虑，门式刚架合理的最大跨度不宜大于36m；
表1  不同跨度及荷载的门式刚架用钢量（kg/m2）
   
 
当屋面治荷载分别为
说  明
0.3KN/m2
0.6KN/m2
1.0KN/m2
1屋面恒载 0.25kn/m2
屋面海载0.3、0.6、1.0kn/m2
基本风压0.45 kn/m2
2单跨门式刚架、檐高7.2m、柱距6.0m、变截面梁柱、屋面坡度1/20、用钢量包括刚架、屋（墙）面檩条、山墙柱及支撑。
3．钢材为Q235钢
12
25.9
23.5
27.7
15
22.5
22.1
26.6
18
18.5
21.1
25.3
21
17.9
21.3
25.5
24
18.0
21.2
26.9
27
18.8
22.8
27.9
30
20.1
23.8
29.4
36
23.0
25.7
32.5
2．不用柱距、跨度及钢号条件下的用钢量分析。
表2对了无吊车门式刚架在不同钢号及三种常用跨度与三种常用柱距条件下的用钢量比较，其规律性的折线比较分别如图2、图3所示。
表2无吊车时不同跨度、柱距与钢号的门式刚架用钢量比较。
钢 号
跨度
（m）
柱距
（m）
刚架用钢量（kg/m2）
次结构用钢量（kg/m2）
总计用钢量（kg/m2）
说  明
屋盖檩条
其它
  合计
Q235
13
6
7.5
9
14.2
12.2
10.6
3.5
4.0
4.2
3.7
7.2
7.7
7.9
21.4
19.9
18.5
1.按单跨计算,檐高6.0m;
2. 恒载0.2KN/m2、活载0.5KN/m2、基本风压0.5KN/m2
3. 刚架为变截面梁柱,柱脚为铰接
4. 采用Q345时,仅刚架采用,次结构仍采Q235
5. 建筑物按单跨60m长(9m柱距为63m)计算
24
6
7.5
9
14.5
12.3
10.9
3.5
4.0
4.2
3.6
7.1
7.5
7.7
21.6
19.8
18.6
30
6
7.5
9
16.6
15.2
14.3
3.5
4.0
4.2
3.4
6.9
7.4
7.6
23.5
22.6
21.9
Q345（*仅刚架用）
18
6
7.5
9
12.4
10.7
9.2
3.5
4.0
4.2
3.7
7.2
7.7
7.9
19.6
18.4
17.1
24
6
7.5
9
12.9
11.2
9.4
3.5
4.0
4.2
3.6
7.1
7.5
7.7
20
18.1
17.1
30
6
7.5
9
13.6
12.3
11.6
3.5
4.0
4.2
3.4
6.9
7.4
7.6
20.5
19.7
18.2
从表2及图2、图3比较中，可得出以下结论性意见
（1）在无吊车刚架体系钢结构中，次结构（屋面檩条、墙面檩条、山墙抗风柱、柱及屋面支撑、柱杆等）用钢量可占到总用钢的30％～46％，故设计人员应注意并合理地作好次结构部分设计。
（2）影响次结构用钢量比重增加的主要因素是柱距增加，主结构选用高强度钢及建筑物高跨比增加等；影响其减小的主要因素是：跨度加大、跨数增加（多跨）等；
（3）不论钢号如何，无吊车刚架在常用跨度范围内（18～30m），当柱距并按常用的6～9m范围增大时，其总用钢量均随之减小，减幅与7％～14％；
（4）当主结构采用不同钢号时，其跨度变化对总用钢量的影响上有一定差异。当采用Q235钢时，用钢量折线仍符合马鞍形分布的规律，在18～24m压向较低，到30m时明显上升；而当刚架采用Q345钢时，则跨度18m、24m、30m的总用钢量差别很小，不论柱距如何，各种跨度用钢量均几
乎保持为等量的常值，这一特点值得在设计应用中注意。
3．不同檐口高度时的用钢量比较
由表2及表4数据可作出檐口高度不同（6.0m、8.0m）的无吊车门式刚架用钢量比较，其图线比较示于图4。由比较可知，不论柱距、跨度及钢号如何，檐口高度的增加，均会引起总用钢量的增加。在常用跨度及柱距条件下，檐高由6m增为8m时，总用钢量的增幅约与蓄电池恒温箱12％～16％。在风荷载较大地区，此影响程度会更加强。
（二）有吊车时不同跨度、柱距与钢号的门式刚架用钢量比较
表3列出了有吊车时，门式刚架在不同跨度、不同柱距及不同钢号条件下的用钢量，其图线比较分别列于图5、图6。在表4中同时计算列出了图表刚架无吊车时的用钢量，以便比较。由上述各表、图中，可归纳以下各点：
表3  有吊车时不同跨度、柱距与钢号的门式刚架用钢量比较
钢号
跨度
（m）
柱距
（m）
无吊车时
有二名Q=5.02吊车时
说  明
刚架
次结构
总计
刚架
吊车梁
次结构
总计
0.235
18
6
7.5
9.0
15.6
13.4
11.7
8.8
9.3
9.5
24.4
22.7
21.2
18.8
16.3
13.9
6.9
8.0
9.7
智能操作票8.8
9.3
9.5
39
33.6
33.1
1.        按单跨计算、檐口高8.0m
2.        恒载0.25KN/m2活载0.45KN/m2、基本风压 0.5KN/m2
3.         吊车与2名地面操纵单梁吊车
4.         刚架与变截面梁、等截面柱、柱脚刚校
5.        材质为Q345时,仅用于刚架与吊车梁
6.        次结构包括屋面与墙面檩条、山墙柱及支撑
7.         屋面坡度1/15
8.         建筑物为单跨长度60m
24
6
7.5
9
16
13.5
12
8.5
9.0
9.2
24.5
22.5
21.2
19.2
16.3
15.0
5.0
6.1
7.3
8.5
9.0
9.2
32.7
31.4
31.5
 
30
6
7.5
9
18.3
16.7
15.7
8.2
8.7
8.9
26.5
25.4
24.6
20.7
19.1
17.6
4.8
6.0
7.3
8.2
8.7
8.9
33.7
33.8
33.8
 
18
6
7.5
9
13.6
11.8
10.1
8.8
9.3
9.5
22.4
21.1
19.6
14.5
13.2
11.8
6.3
7.2
8.9
8.8
9.3
9.5
29.6
29.7
30.2
 
24
6
7.5
9
14.2
12.3
10.3
热轧酸洗8.5
9.0
9.2
22.7
21.3
19.5
15.9
14.3
12.6
4.9
5.5
6.8
8.5
9.0
9.2
29.3
28.8
28.6
 
30
6
7.5
9
15
13.5
12.8
8.2
8.7
8.9
23.2
22.2
21.7
17.3
15.6
14.1
4.7
5.4
6.7
薄荷红茶组合8.2
8.7
8.9
30.2
29.7
29.7
（1）同样尺寸的门式刚架，当设有吊车（Q=5t）时的总用钢量（包括刚架与吊车梁主结构与次结构）比不设吊车时有较大的增加，其增幅为21～36％；此增幅随跨度增大而减小（由36％降至27％），随柱距增大而增大（平均由24％增至31％），而钢号的差别对此增幅的变化没有明显的影响。
（2）在有吊车刚架的总用钢量变化中，跨度的变化影响虽仍基本呈现出马鞍形分布，但增减幅度已很小，约在3％～7％范围内；而柱距变化的影响变小，除了Q235钢的18m、24m跨度刚架总用钢量尚因柱距加大而略有减少外，其余情况下，特别是主结构采用Q345钢的情况下，不论柱距在6～9m间如何变化，其总用钢量几乎保持一个常量而不受影响。这一基本规律也值得在设计应用中注意。
二、影响柱网尺寸合理选择的其它因素
（一） 檩条的选材
门式刚架轻钢结构屋面、墙面檩条均采用冷弯薄壁C型钢或Z型钢，这已是国内外传统和成熟的配套技术。由于原料条件（带钢，冷轧薄板经纵剪成钢带等）更有保证，小型专用成型设备及其应用技术也陆续普及，现国内已可方便的提供截面高度达300～350mm（甚至达400mm）的C型钢，但从较合理的面造型考虑，檩条截面高度也不宜过高，一般以不大于300mm为宜。据此考虑，为了使檩条都能方便地采用冷弯薄壁型钢（便于加工及维护），避免采用格构式檩条，门式刚架的柱距（即檩条跨度）一般以不大于9.0m为宜。
（二）减少构件数量
钢结构工程的造价由材料价格（与钢材用量直接有关）与加工、安装价格（加工、拼装、运输、吊装等）共同组成。显然，在工程中构件数量的多少，将直接影响加工、安装的工程量、施工进度及造价。一个工程采用9m柱距时的刚架、柃条、吊车梁等构件的数量（注意，不是重量）要比采用6m柱距时减少30%，其对缩短施工周期、降低工程造价的有利影响十分明显，在综合考虑合理确定柱网时，采用较大柱距，减少构件数量，也是一个不应忽略的因素。
（三） 基础的条件
同上分析，整体工程的造价还应包括基础工程造价（基槽、土方及基础），而基础的数量多少也直接影响总的造价与施工周期，特别是当为软土等不良土层而需采用桩基等人工地基时，则采用较大柱距，减少基础数量的经济效果与意义更为重要。
三、合理选用柱网的几点建议
1. 不论是否设有吊车，门式刚架的较经济跨度建议在21.0～24.0m范围内采用，其合理的最大跨度不宜大于36.0m。
2. 不论是否没有吊车，门式刚架的合理柱距建议采用为8～9m的较大柱距，对无吊车刚架采用较大柱距的经济性更为明显。
3. 门式刚架的跨度及荷载较大时，或设有吊车时，建议其主结构（刚架及吊车梁）宜采用强度较高的Q345号钢，此时即使刚架采用较大跨度与柱距，都对用钢量变化影响甚微。
4. 次结构的用钢量可达总用钢量的50％，并起到重要的调节平衡作用，故应重视并合理作好次结构的设计工作。
5. 层盖荷载增加（跨度敏感）或柱高增加（风荷载敏感）均会引起用钢量较明显增加，设计时应注意正确的计算荷载取值。
以上建议是针对单跨刚架比较分析而提出的，当为多跨时，也具有参考意义。
参考文献
（1）  吴辉华等，轻钢门式刚架及网架的优化造型，第三届中日建筑结构技术交流会议文集，1998
作　者：柴昶 刘迎春

本文发布于:2024-09-24 23:29:27，感谢您对本站的认可！

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