跨度及柱距对单层门式刚架经济性影响研究

黄 腾，王兴鹏（ 上海欧本钢结构有限公司，上海 200127）

近年来随着我国电子商务的普及与快速发展，物流行业的发展被同步带动，也增加了人们对各种仓库厂房的需求。门式刚架作为一个受力简单、构件制作方便与现场施工周期短的结构体系，其采用的钢结构可应对大跨度、大空间的需求，成为各种仓储厂房的首选。门式刚架柱网尺寸布置自由灵活，可根据需要决定厂房的高度、长度、宽度。不同柱距与跨度的门式刚架经济性各不相同。本文通过对相同檐口高度、相同荷载条件情况、不同跨度或者不同柱距的单层门式刚架进行设计计算，统计各种条件下门式刚架的用钢量，为门式刚架工程经济性提供参考数据。

1 计算条件

1.1 跨度–用钢量统计分析设计条件

檐口高度取 9.0 m 与 10.5 m 两组，建筑平面长度192 m，柱间距 12 m，双坡三跨。三跨跨度相等，每跨分别按 18 m、20 m、22 m、24 m、27 m、30 m 等 6 种方案考虑。设置 2 道防火墙，3 个防火分区。恒荷载取屋面板重量、檩条自重、拉条支撑等构件合计 0.20 kN/m2，消防喷淋荷载 0.15 kN/m2，恒荷载合计 0.35 kN/m2；活荷载刚架计算取 0.30 kN/m2，檩条计算取 0.50 kN/m2，风荷载按 50 a一遇取 0.45 kN/m2，地面粗糙度为 B 类，雪荷载按 100 a 一遇取 0.45 kN/m2。地震设防烈度为 7 度，0.10g。第一组场地土类别 II 类，其他设定参考如表 1 所示。

表1 跨度－用钢量统计分析设计条件

1.2 柱距–用钢量统计分析设计条件

建筑平面长度为 180 m，双坡三跨，每跨跨度为 24 m，柱距分别按 6.0 m、7.5 m、9.0 m、10.5 m、12.0 m 等5 种方案计算，其他条件参考如表 2 所示。

表2 柱距－用钢量统计分析设计条件

2 计算过程

2.1 二维门式刚架计算

软件选取 PKPM V 5.1.2 版本。先计算屋面檩条截面，为后面定义梁的平面外计算长度做准备。屋面檩条长度取柱间距，檩条间距为 1.5 m，选用 Z 型斜卷边檩条，按连续檩条进行计算，应力比按 0.93 进行控制。计算檩条截面后，在软件中建立门式刚架模型，定义梁面外稳定应力按隅撑作为支撑点计算。隅撑支撑 1 截面为 L 50×5.0 m 角钢，布置间距为 3 000 mm，与檩条角度为 45°，隅撑孔距檩条下边缘距离为檩条高度的 1/2，檩条为 Z 型斜卷边檩条，截面为上面计算出最小的檩条截面，跨度选取柱间距，檩条到梁上皮距离为 20 mm；隅撑支撑 2 布置间距为 1 500 mm，其他参数与支撑 1 相同。

每跨将梁分为 3 段，其中与柱相连的两段设置隅撑支撑2，剩下中间一段设置隅撑支撑 1。边柱平面外计算长度根据柱上隅撑布置间距取 3 m。输入荷载，风荷载体型系数按GB 51022—2015 中表 4.2.2-1 的要求取值，交由软件自动确定数值；雪荷载不均匀布置按 GB 51022—2015 中表 4.3.2中第 2 款规定取值，且雪荷载与活荷载为一对互斥活荷载。

模型建立和荷载输入完成后，调整整体钢结构的参数。选取钢梁按压弯构件计算平面内稳定性，摇摆柱设计内里放大系数为 1.5，净截面与毛截面比值 0.93，钢材牌号选取 Q 355，荷载分项系数根据 GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》要求，恒荷载取 1.3，活荷载取1.5，活荷载不利布置只考虑 0.3 kN/m2基础活荷载，其他参数为软件默认即可。

设置所有模型与参数后，按 0.93 控制模型应力比，尽可能靠近 0.93，同时满足挠度与位移等其他相关要求。

2.2 不同跨度下夹层三维模型计算过程

一般厂房内或是仓库内会在部分区域设置办公室或者休息区，对于研究不同跨度的门式刚架而言，夹层的尺寸总是固定的，对比较整体建筑的经济性分析不会有明显的影响。相对于研究柱距对整体建筑经济性的影响，由于夹层某一边长度和柱距是相同的，柱距的改变会引起夹层部分用钢量的变化，因此在研究柱距对经济性影响的时候不考虑夹层设计。本次研究设置了 2 个夹层，该研究主要是分析不同跨度对经济性的影响，并不需要得出实际真实的用钢量，因此夹层的布置比较简单，方便计算。

夹层恒荷载取 4.5 kN/m²，活荷载取 2.5 kN/m²，楼层高度取 4.5 m，梁柱构件的高厚比与宽厚比按 GB 50017—2017《钢结构设计标准》与 GB50011—2010《建筑结构抗震设计规范》中两者规定的较严值设计，夹层具体布置轴网按图 1 所示。

图1 夹层轴网布置图

此次研究中各种案例下夹层用钢量都相同，因此参数按平时工程中常用的选取即可，应力比按 0.93 控制。

3 设计结果及分析

3.1 不同跨度对用钢量的影响

首先，比较不同跨度的部分截面尺寸图。22 m 跨度与27 m 跨度刚架部分截面尺寸图如图 2 所示。由图 2 可知，随着跨度增加，钢梁截面尺寸的高度与翼缘都有增加，跨度越大，单跨梁所承受到的荷载就越大，就需要更大的截面来保证构件的正常使用状态。其中，截面高度主要为梁的抗弯性能提供保障，翼缘宽度为梁的稳定性提供保障，而腹板因为对用钢量影响最大，一般只有抗剪承载力不够时，才会增加腹板厚度。柱也是相同的方法。跨度–用钢量曲线如图 3所示。

图2 22 m 跨度与 27 m 跨度刚架部分截面尺寸图

图3 跨度–用钢量曲线图（包含单侧夹层与雨篷）

由图 3 可知，考虑单侧夹层和雨篷用钢量后，12 m 柱距不同跨度单层门式刚架建筑每平方米用钢量的变化趋势。

（1）24～30 m 的跨度，建筑平方米用钢量相比较最为经济，如果工艺、建筑条件许可下，尽可能采用该区间的跨度。

（2）对相同净高，跨度＜24 m或＞24 m，用钢量均会有所增加—跨度每增加或减少 2 m，用钢量增加在0.1～1.2 kg/m2。

（3）相同跨度，净高越高用钢量越大；常用净高 10.5 m的物流仓库基本比净高 9.0 m 的物流仓库用钢量重1.2～2.0 kg/m2。

3.2 不同柱距对用钢量的影响

对于不同柱距的刚架，构件截面的变化规律与不同跨度的刚架原理相同，柱距越大，单榀钢架所承受的荷载也越大，构件截面也随之变大。柱距–用钢量曲线如图 4 所示。

图4 柱距–用钢量曲线

由图 4 可以观察到 24 m×3 跨、不同柱距单层门式刚架建筑每平方米用钢量的变化趋势。

（1）7.5 ～ 9.0 m 柱距，建筑平方米用钢量相比较最为经济，工艺、建筑条件许可下，尽可能采用该区间的柱距。

（2）对相同净高，柱距＜7.5 m 或＞9 m，用钢量均会有所增加—柱距每增加或减少 1.5 m，用钢量增加0.1～1.2 kg/m2。

（3）相同柱距，净高越高用钢量越大；常用净高 10.5 m 的物流仓库基本比净高 9.0 m 的物流仓库用钢量重1.5～1.8 kg/m2。

4 结 语

通过研究分析，可以找到一个相对经济的轴网布置尺寸。但需要注意的是，影响整体建筑经济性的因素仍有很多。本次研究是通过控制标准变量进行分析，主要目的是反映每平方米用钢量的变化趋势，给门式刚架的柱距与跨度选取提供参考。影响用钢量的因素还有很多，经由对各种变量因素的考虑与计算，其所得用钢量才是准确真实的。