门式钢架用钢量影响因素分析

李辉

摘要：门式刚架房屋钢结构近年来在我国应用越来越广泛，门式刚架用钢量问题也就显得越来越重要。设计用钢量的多少成为衡量设计好坏的一个重要指标，本文对影响门式刚架用钢量的几个因素（如，柱距、跨度、屋面坡度、平面布置等）进行了比较分析，以供相关人员借鉴。

关键词：用钢量；门式刚架；钢结构；影响因素

引言

自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。当前，门式刚架结构广泛应用在车站候车室、娱乐体育设施、仓库、购物中心、展览厅、单层工业厂房、加层建筑等工业与民用建筑方面。作者结合自身设计的经验探究了影响门式钢架房屋钢结构的一些因素，以期抛砖引玉，给广大结构设计人员提供一些参考。

1.门式刚架的概述

门式刚架房屋钢结构是近年来国内发展最快的一种新型钢结构，它是单层工业厂房中一种常见的结构形式，随着我国经济建设的迅速发展，这类结构以其用钢量省、造价低、施工速度快、外形美观以及适用范围广等优点而得到广泛的应用。门式刚架最主要的特点就是用钢量省、结构轻巧、适用范围广，所以，在设计门式刚架时，为了使其优越性充得到充分的发挥，结构工程师应尽可能地优化结构设计，从而达到“用钢量最省”这个目标。

门式刚架一般用于跨度9～36米，柱距6～9米，柱高4.5～12米，设有较小起重量（不超过20吨）的情形，结构设计时，影响设计用钢量的重要因素包括刚架的坡度、柱距、跨度、柱高、吊车吨位等，怎样才能使用钢量最省、结构经济合理，这一直是所有设计人员关注的焦点问题。文章对柱高、跨度、柱距、平面布置对刚架用钢量产生的影响做了简单的分析比对，由此得出门式刚架跨度、柱距、屋面坡度影响门式刚架用钢量的规律，并按照这个规律来确定结构经济合理、刚架用钢量最节约的设计方案。

2.对门式刚架用钢量产生影响的因素

2.1 柱距对用钢量产生的影响

厂房结构设计中最先要解决的问题就是怎样根据工艺要求进行柱网的平面布置。一直以来我国习惯性把3米（一般用3米，6米，9米，12米）定为柱距模数，事实上，这是套用了预制钢筋混凝土工业厂房的模数制。目前，还没有人对此模数进行专门的研究，看它是否也适用于门式刚架房屋钢结构。然而，从综合经济分析的角度而言，合理的柱距对设计的优劣有很大的影响。就用钢量指标来说，存在一个最优柱距。随着柱距的增加，整个门式刚架房屋的用钢量先减少后增加。

经过统计与计算大量工程实例得出，当柱距7～9m时，总用钢量基本持平，小于7m时，随着柱距的不断增大，总用钢量普遍呈降低趋势，降幅随跨度的增大而增加。柱距大于9米时，随着吊车梁、墙梁、支撑、檩条等构件用钢量的大幅度上升，总用钢量也呈上升趋势。所以，就常用刚架来说，建议取7～9米柱距，当吊车吨位较小或没有吊车时，可取8～9米柱距；当吊车吨位较大时，可取7米左右柱距，与常规柱距6米相比，可节省3%～5%的用钢量，节省2%～6%的总造价，有非常可观的经济效益。此外，需把设计的定型化、标准化、品种的规格化等影响因素考虑在内。

厂房的实际用钢量还跟构件的标准化程度、钢材的供应情况紧密关联，有时因采用替代材料与非标准构件而产生的额外耗钢非常之多，当然，离开了柱距模数，构件的标准化是无从谈起的。

2.2跨度对用钢量的影响

门式刚架的经济跨度通常在18～36米，吊车吨位较大时，经济跨度在24～36米，吊车吨位较小或没有吊车时，经济跨度在18～24米，经济跨度采用得合理能够节省钢材5%～15%，总造价降低2%～7%。荷载是影响经济跨度的一个主要因素，总用钢量在荷载越大时，其对跨度越为敏感，更应该重视跨度的合理性。这是由于荷载大柱截面就大，如果此时跨度较小，其单位用钢量肯定上升。如果跨度增大，梁截面又明显增大，同样会造成单位用钢量的上升。在设计的过程中，应该在满足生产工艺与使用功能的基础上，确定合理的跨度以取得优良的经济指标。

厂房跨度通常由使用功能与生产工艺来决定，有时业主要求设计人员根据使用功能与生产工艺来决定厂房的经济跨度来降低造价。通常说来，荷载与柱高不变，跨度适当加大，不会明显增加刚架的用钢量，同时基础造价低，节省空间，综合效益较好。

2.3屋面坡度的影响

门式刚架房屋钢结构的屋面坡度一直以来大体在1/8～1/20之间，在对屋面坡度进行确定时，主要是对屋面排水要求的考虑，对于雨水较多的地方应该取较大值，而雨水较少的地方应该取较小值。若应用瓦楞铁、石棉瓦等材料，为确保排水的要求，一般取较大的屋面坡度，假如应用压型钢板屋面，一般取相对较小的屋面坡度。屋面的主要承受荷载一般包括雪荷载、自重活荷载、风荷载等，如果从结构受力角度进行考虑，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，如果想让结构的内力分布更为合理就需要对屋面坡度进行优化，并依据荷载条件来设计屋面坡度。

在一定的自然条件下，采用合理的屋面坡度，减少结构最不利截面应力，进而减少结构的截面尺寸，由此达到节省用钢量的最终目的。

尽管风、雪等自然条件各不相同，但其最优用钢量的变化趋势是基本一致的，用钢量在0～60度范围里面，都有一个由大到小接着又逐渐升高的过程，由此表明：就门式刚架来说，当其他条件一定时，用钢量是随屋面坡度的变化而不断变化的。

对于柱高8米、跨度24米的门式刚架房屋钢结构来说，在 10～20度之间会出现最优屋面坡度。门式刚架荷载取值与荷载效应组合，跟屋面坡度紧密相关，风荷载随屋面坡度的增大，其影响也不断增大。风荷载在屋面坡度较小时，可被看作有利因素，在进行刚架设计强度计算时可以不用考虑它的影响；反之，风荷载在屋面坡度较大时，被看作是不利因素，在进行刚架设计强度计算时必须把它的影响考虑在内。当屋面坡度小于45度时，永久荷载为控制荷载，起主要作用；而大于45度时，风荷载为控制荷载，起主要作用，其他的荷载参与组合。风荷载对屋面最优坡度的有很大的影响。当活荷载大于风荷载时，屋面最优坡度处于10度左右；当活荷载小于风荷载时，屋面最优坡度处于15度左右。

2.4平面布置对用钢量的影响

当横向长度大于150米，纵向长度大于300米时应设置伸缩缝，就构造而言，设置伸缩缝没有任何问题存在。但是，通常是采用双柱的做法，所以会相应的增加一些用钢量，尤其是纵向伸缩缝，增加较多的柱子，因此当门式刚架进行平面布置时应尽可能把平面尺寸控制在不设伸缩缝的范围之内，这样，才能够减少总的用钢量。

总结语：

门式钢架在我国建筑物的应用比较广泛，技术也日趋成熟，但是还有许多问题需要进一步地解决，上述中本人结合自己的设计经验對门式刚架用钢量与柱距、跨度、屋面坡度、平面布置的关系做了简单的分析，从而能够提高设计的经济性和安全性，提高轻型门式钢架的市场竞争力。

参考文献：

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