带夹层门式刚架优化设计

李 娜

(山西建筑工程有限公司,山西 太原 030000)

带夹层门式刚架优化设计

李 娜

(山西建筑工程有限公司,山西 太原 030000)

结合工程实例，分析了不同柱距对带夹层门式刚架经济性的影响，通过主刚架及围护结构截面优化达到降低用钢量的目的，对优化设计提出了合理性建议。

夹层，门式刚架，PKPM系列软件，柱网布置，优化设计

门式刚架轻型钢结构是目前工业厂房普遍采用的结构形式，目前很多厂房趋向大型化、多功能化，设置操作平台或办公夹层，使得厂房内空间得到了充分利用，带有夹层的门式刚架结构成为常见的结构形式。目前，带夹层门式刚架的条文规范还未明确出台，设计时必须根据结构的具体结构形式进行计算分析，并在参数输入、构件选择、支撑布置位置及节点设计等方面采取具体措施，以保证结构设计的安全性、可靠性及经济性。本文结合工程实例，通过PKPM软件分析不同柱网布置，优化截面等方面对结构进行优化设计，得出合理性建议。

1 工程概况

本工程为山西省晋中市某一厂房，结构型式为门式刚架，三联跨跨度24 m×3，横向长度54 m，第一跨有夹层，夹层一层为5.4 m,二层4.2 m,檐口高度为9.6 m。建筑物总高度为10.38 m，室内外高差为0.30 m。该厂房建筑面积5 260 m2。基础形式为柱下独立基础。抗震设防烈度：8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组为第二组。

基本风压：0.45 kN/m2；基本雪压：0.40 kN/m2；屋面恒载：0.3 kN/m2；屋面活载：0.5 kN/m2。夹层楼面恒荷载：1.5 kN/m2，夹层楼面活荷载：3.5 kN/m2，厂房内设有一台梁式吊车，额定起重量均为5 t；梁式吊车最大轮压Pmax=35.0 kN，最小轮压Pmin=5.0 kN。本工程主刚架材质为Q345，其附属构件材质为Q235B，柱脚均刚接。

2 不同柱距对其经济性的影响

在门式刚架轻型钢结构房屋设计中，首先要根据建筑使用功能进行柱网的平面布置，然后再考虑其经济性。柱距分别为6 m(共10榀刚架)，8 m(两端7.5 m柱距两跨，共8榀刚架)，9 m(共7榀刚架)。6 m柱距时夹层下柱间距为12 m(见图1)；8 m，9 m柱距时对应夹层下柱间距为8 m(见图2)。柱距6 m，8 m，9 m对应的主刚架用钢量分别是：49.56 t/m2，42.76 t/m2，41.18 t/m2。GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范中建议跨度采用12 m～48 m，柱距采用6 m～9 m。从以上数据及规范要求可知，合理柱距的选择是工程的实际造价的主要影响因素。柱距的增大对增加单榀刚架及檩条的截面面积有一定影响，但是结构面积不变的情况下，柱距增大意味着刚架总榀数减少了，最终主钢用量则会降低。故对结构面积不变的门式刚架房屋，最优的柱距及最优柱距范围是必然存在的。故可得出对于该工程，从建筑空间的合理化利用以及用钢量得出最优柱距范围是9 m。

3 最优化截面的选择

结构形式确定后，模型建立需要先确定构件的截面尺寸。构件截面选取通常是参考相同工程或者初选截面，必须满足各板件尺寸的基本构造要求，局部和整体稳定满足的情况下确定构件的长细比以及宽厚比。初选截面时，门式刚架结构横梁和柱的构造要求：实腹式横梁高度选取范围为跨度的1/30～1/45；门刚柱的截面高度和柱高之比选取范围为1/12～1/28，柱顶和梁端处可根据刚架跨度的1/30～1/34来预估截面的最大高度。

带夹层门式刚架在荷载不大的情况下常常采用实腹式梁和柱，门刚梁柱的截面随内力变化而变化，一般由其挠度控制截面尺寸，而不是由强度控制。截面输入计算后进行最优化截面，截面尺寸大小根据构件的内力变化来相应调整，最优化的截面大小的最终确定则是通过多次反复测算得到。这种最优化方法计算量不大且可以人工控制截面优化范围。在门刚构件受力过程中，剪力主要由腹板承受，弯矩由翼缘承受，构件的平面外稳定性问题一般是通过设计隅撑来实现。若无振动荷载，构件的强度及稳定性通过利用腹板的屈曲强度来决定，通常构件设计成高而窄的截面，跨度取最小截面高度的45倍～60倍，截面的高是其宽的3倍～5倍。增强带夹层门式刚架结构整体稳定性的措施有：1)多跨度结构中的中柱宜设柱间支撑，分担部分传至基础的纵向水平荷载，屋面设置横向水平支撑及十字交叉圆钢组成的竖向支撑形成桁架体系，具有中间支座功能，大大降低了支撑杆件的内力。2)在屋脊和柱顶设置刚性系杆，有时型钢檩条亦可兼作刚性系杆。3)跨度较大或风载较大时，支撑体系宜多设几道，此部分的用钢量很小，但对整个结构非常有利。

优化设计中围护结构的设计也是不可或缺的一部分。双向受弯的檩条和墙梁通常采用冷弯薄壁型钢，对弯矩影响较大的因素是截面高度。为了用钢量最省，在满足设计要求的情况下壁薄高度大的檩条和墙梁成为首选,达到了最优化设计和较好的经济效益的目的。为了避免施工单位用电镀檩条生锈的情况发生，设计时檩条要提出宜采用热镀锌带钢压制而成的翼缘并注明镀锌量要求,以杜绝不必要的二次装修浪费。连续形式的檩条设计，对用钢量起到了明显的减少作用。根据三维计算模型分析，檩条设计成多跨连续布置比单跨简支布置受力性能更加有利，对钢材量节省起到了很大作用，故多跨连续檩条是檩条布置更合适的布置方式，唯一不足就是多跨连续檩条的节点构造更复杂一些。多跨连续檩条的弯矩是支座截面处大于跨中截面处，在实际工程中，多跨连续檩条的搭接方式一般在支点处采取嵌套搭接，根据计算确定搭接长度，在支座处的嵌套搭接使得檩条具有双檩条的承受能力，材料得到了充分利用。通常情况下屋面或墙面采用压型钢板,其厚度不小于4 mm，考虑电气防雷，一般厚度不小于6 mm。压型钢板应按照现行国家标准GB 50018冷弯薄壁型钢结构技术规程的规定进行计算和构造。

4 结语

设计带夹层门式刚架应考虑变化方案，简化结构传力模式和传力途径，深入分析结构各构件的受力机理，并整体考虑各部分的相互影响，做到大处节省，杆件节点适当加强，最终达到优化设计的目的。

[1] GB 51022—2015,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[2] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].

[3] GB 50009—2012,建筑结构荷载规范[S].

[4] 晋娟茹，夏绪勇.带夹层的门式刚架结构设计[J].土木建筑工程信息技术，2014,6(2)：36.

[5] 冷晶明.探寻门式刚架的最优化设计[J].工程科技，2014(6):156.

[6] 尹永青.门式刚架轻型钢结构最优化设计体会[J].山西建筑，2013,39(30):38-39.

[7] 陈 斌.浅谈门式刚架轻型钢结构的设计优化[J].江西建材，2015(11):39-41.

Discussionongabledframestructurewithmezzanine

LiNa

(ShanxiConstructionEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030000,China)

Combining with the engineering example, analysis of the different column spacing of gabled frame structure with mezzanine economic influences, through the optimization sections of main gabled frame structure and enclosure structure reduce the amount of steel, put forward reasonable suggestions on optimization design.

mezzanine, portal frame, PKPM series software, column layout, optimal design

2017-10-01

李 娜(1982- )，女，硕士，工程师

1009-6825(2017)35-0034-02

TU318

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