门式刚架轻型房屋钢结构设计优化探讨

2017-01-20韩明坤

中国设备工程 2017年16期

关键词：钢结构构件房屋

韩明坤

（青岛天能重工股份有限公司，山东胶州 266316）

门式刚架轻型房屋钢结构设计优化探讨

韩明坤

（青岛天能重工股份有限公司，山东胶州 266316）

建筑行业的发展对房屋结构的设计也提出了更高要求，钢结构已经在当前建筑施工中得到了广泛应用。门式刚架轻型房屋钢结构设计工作要和时代发展需求相契合，在设计工作上进行优化，保障房屋钢结构的设计质量。本文对门式刚架轻型房屋钢结构优势体现以及门式刚架轻型房屋建筑的发展情况详细分析，结合实际，对门式刚架轻型房屋钢结构设计发展不足和优化设计详细探究。

门式刚架；房屋钢结构；优化设计

轻型钢结构在我国的建筑结构施工中得到了广泛应用，国家也出台了相应的设计规范，有钢结构设计规范以及门式刚架轻型房屋钢结构技术规程等，这些规范对实际的钢结构设计提供了理论依据。在对门式刚架轻型房屋钢结构的设计优化中，对设计质量的保障是比较关键的，要按照规范要求进行设计。从理论上加强门式刚架轻型房屋钢结构设计的研究，就能对实际钢结构优化设计起到促进作用。

1 门式刚架轻型房屋钢结构优势体现及发展

1.1 门式刚架轻型房屋钢结构优势体现

门式刚架轻型房屋钢结构在近些年的建筑工程领域应用比较广泛，门式刚架轻型房屋钢结构在上世纪80年代初期的时候在我国开始发展，在经过了几十年的发展后，已经成为房屋建筑结构重要的结构应用形式。门式刚架轻型房屋钢结构主要是轻型焊接H型钢等构成的实腹式门式刚架作为主要承重骨架，冷弯薄壁型钢作为檩条等房屋结构体系，这一结构体系在实际房屋建筑中的广泛应用，正是因为其自身有着鲜明优势。门式刚架轻型房屋结构的柱网布置比较灵活，在使用了金属压型板的构件下，柱网布置不会受到模数的制约。

另外，门式刚架轻型房屋钢结构的应用优势还体现在比较方便拆卸，资源的可回收利用效率比较高。由于钢结构施工只要进行螺栓连接即可，所以在施工上就比较方便，能大大缩短施工的工期。钢结构的应用比较有利于环保，有效避免了钢筋混凝土和水泥砂浆等对施工现场周边环境造成的环境污染问题。对门式刚架轻型房屋结构的应用综合经济效益比较高，为施工企业带来最大化效益。

门式刚架轻型房屋钢结构的整体质量比较轻，在围护结构的应用方面是采用的压型金属板以及冷弯薄壁型钢等材料构成的，屋面以及墙面的质量相对比较轻，从而在地基基础也能相应的减小，在成本上能节约。门式刚架轻型房屋钢结构的抗震性能比较良好，这一结构是柔性的结构，能对地震的能量转化作用充分发挥，最大化的降低了地震造成的损害。

1.2 门式刚架轻型房屋建筑的发展

门式刚架轻型结构在我国的发展比较迅速，轻钢结构发展快速。在门式刚架轻型房屋钢结构技术规程出版后，在对钢结构的设计水平以及经验方面，都得到了显著提升。但是和一些发达国家相比较，我国在门式刚架轻型房屋建筑结构设计发展的水平上还比较低，有诸多方面有待进一步优化。在用钢量要素上是对钢结构建筑经济性能产生直接影响的因素，我国设计的轻型门式钢结构在设计计算上采用的是3D3S、STS及国外软件，在用钢量上比较经济。钢结构的形式都是采用的无铰门式刚架和两铰门式刚架，截面是通过焊接H型钢。刚架的节点方面，门式刚架各个节点大多都相同，是通过摩擦面处理的高强度螺栓连接。而在维护系统方面是采取的设计标准化机制。在未来的发展中，门式刚架轻型房屋建筑的发展将会成为主流发展趋势。

2 门式刚架轻型房屋钢结构设计发展不足和优化设计

2.1 门式刚架轻型房屋钢结构设计发展不足

门式刚架轻型房屋钢结构的设计发展过程中，还存在着诸多的不足，在规范方面还要继续完善，在对轻钢结构的设计方面涉及到的规范标准比较多，有着很强的交叉性，国家以及协会的标准和技术文件等方面都有相应的规范标准，而在这些标准规范方面没有形成统一的标准，这就对实际的钢结构设计提出了很大挑战，设计人员对标准的选择就成为一个难题。例如在门规当中对刚架形式均为单屋脊情况，具体的设计中，对跨度大的房屋在工艺流程等要求下会采用多屋脊结构形式。而在设计中如果是采取了钢规的规定就比较容易造成诸多浪费现象。

门式刚架轻型房屋钢结构的设计理论研究有待深化，在构造的措施方面还需要优化，门式刚架轻型房屋钢结构在我国的发展时间并不是很长，在诸多层面都存在着不足，在针对性的构造措施研究方面还需要进行深化，例如在节点连接以及支撑布置等层面，都需要有扎实的理论支持。再有就是在结构计算的方法以及计算软件方面，还要提高计算的效率水平，在计算软件的开发升级的需求还比较大。

2.2 门式刚架轻型房屋钢结构设计要点

门式刚架轻型房屋钢结构的具体设计中，要注重几个要点，在对柱脚的设计过程中，按照门规的要求可将柱脚设计成刚接，在有较大吊车的房屋时候，柱脚使用刚接使得每榀刚架形成超静定结构,能有效地减小柱顶位移,具有更大的安全储备。而在对屋面以及墙面的拉条布置过程中，在风吸力作用下檩条下翼缘受到压力，拉条适合在檩条上下翼缘附近科学布置。这一施工中，要对檩条的下翼缘受压稳定性加强计算。而在对支撑布置的时候，也要遵循门规的相关要求，结合房屋功能的实际需要对多跨钢结构房屋，在不允许设置任何支撑的时候，就要设置纵向刚架。实际设计中对钢结构的设计要点充分重视，才能有助于保障结构设计的质量。

2.3 门式刚架轻型房屋钢结构优化设计

门式刚架轻型房屋钢结构的优化设计过程中，要注重方法的科学运用。现对钢结构的优化设计提出了几点措施。

第一，注重门式刚架轻型房屋钢结构的选型。为保障门式刚架轻型房屋钢结构设计的质量提高，设计人员要结合实际的需要，在结构的选型环节要加强重视。整体结构体系的选型中，单层房屋钢结构主要是选择框排架结构体系，这一结构是通过多榀并排平面主框架在某些纵向构件连接形成的空间结构体系。在对这一结构的应用下，常常会按照平面的框架结构来进行设计，对整体空间作用不会特别重视。而在对主框架的选型方面，通过钢屋架代替框架横梁，然后通过梯形屋架以及三角形屋架作为主要的结构形式。在对屋盖的选型方面，普通的是通过屋面板形式。墙架结构选型有端墙墙架以及纵墙墙架，主要的作用就是支撑墙面围护材料，对抗风荷载加以抵抗。在墙架的刚度不够的时候，可进行架设中间拉条。

第二，加强钢结构的构件设计优化。门式刚架轻型房屋结构设计中，在结构构件的优化方面要充分重视，在给定的结构类型以及材料和布局等基础下，对各个组成的构件截面尺寸实施优化，从而保障钢结构的轻质以及经济化。在对构件的截面实施优化的时候，主要有两种方法，一是通过最优理论加以应用，二是采用穷举法加以应用，这两种方法都能起到构件优化设计的作用。在最优化理论的应用中，主要是将问题归结成单目标规划问题，目标函数是通过钢量最少以及造价最低作为约束条件的，然后采用数学规划的理论获得最优的结果。门式刚架是通过变化构件截面适应弯矩变化达到节约钢材的目的，在相邻单元翼缘也能使用不同截面。

第三，多构件结构的优化设计方法。在从经济的角度进行考虑下，对压型钢板以及檩条和吊车梁等结构构件进行优化，吊车梁使用轻型钢结构，进行简化计算的方法，在经过反复试算后列出最优的截面，从而达到钢材节约的效果。门式刚架的机构设计优化方面，对计算软件中截面优化设计以及反复试算的应用，选择最优的截面。

第四，充分重视空间的优化设计。门式刚架轻型房屋钢结构的优化设计中，在空间的优化层面要加强重视，功能是对建筑空间起到关键作用的，具体的设计过程中，就要将房屋的功能和施工工艺要求进行充分的了解，在空间上不能浪费，对钢结构的分析意见以及投资影响比较大的限制条件，要反馈给工艺设计人员以及建筑方。在吊车吨位方面是对功能特定要求有着紧密联系的，吊车的重量要遵循实际的要求进行选择，尽量选择自重轻的吊车，门式刚架轻型房屋钢结构的设计中对模数柱距对钢量的指标有着影响，在设计的时候就要从这些层面加以重视，保障柱距的合理性。