淺析輕型門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

淺析輕型門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：輕型鋼門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)是單層廠房中一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，因其用鋼量少，結(jié)構(gòu)自重輕，施工速度快，綜合經(jīng)濟(jì)效益高，近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。本文簡(jiǎn)要闡述了輕型門(mén)式剛架概述及門(mén)式剛架建筑的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)探討和研究了門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：門(mén)式剛架；鋼結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

前言：輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)施工中得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)家也出臺(tái)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，有鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程等，這些規(guī)范對(duì)實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在對(duì)門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的保障是比較關(guān)鍵的，要按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。從理論上加強(qiáng)門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，就能對(duì)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)起到促進(jìn)作用。

1門(mén)式剛架的概述

門(mén)式剛架是門(mén)式剛架輕型房屋的最主要受力體系。門(mén)式剛架和采用冷彎薄壁型鋼制成的檀條及采用壓型鋼板制成的外墻板、屋面板共同組成輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋。典型的門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)體系由基礎(chǔ)、主鋼架、墻梁（吊車(chē)梁）、檀條、屋面板、墻面板，抗風(fēng)柱，屋面支撐，柱間支撐等組成。

門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)已成為當(dāng)今輕型化建筑結(jié)構(gòu)的主要形式，它能有效利用材料。構(gòu)件尺寸小，重量輕，而且可以在工廠批量生產(chǎn)，保證質(zhì)量，工地安裝連接簡(jiǎn)便迅速，施工周期短和可循環(huán)利用而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房和公共建筑中，其優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。

2門(mén)式剛架建筑的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1門(mén)式剛架建筑的優(yōu)點(diǎn)

1.構(gòu)造簡(jiǎn)單，材料單一。容易做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化以及構(gòu)件加工制作工業(yè)化，所以現(xiàn)場(chǎng)安裝、預(yù)制、裝配化程度高。銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)可以全部采用計(jì)算機(jī)控制，產(chǎn)品質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。

2.自重輕，減少構(gòu)件運(yùn)輸、安裝工作量。

3.抗震性能好。由于剛架結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，因而能有效地降低震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度，極有利于抗震。

4.施工周期短。門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是：所有構(gòu)件均可以由工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)定型裝配化程度高，所以現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單快速，現(xiàn)場(chǎng)只要用螺栓、鉚釘鎖緊或部分焊接，即可完成組裝工作，可縮短工期，資金回收快。因?yàn)闆](méi)有濕作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝不受氣候影響，對(duì)一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房?jī)H需45天至2個(gè)月，一般廠房、倉(cāng)庫(kù)在簽訂合同后3～4個(gè)月內(nèi)可以交付使用，而若采用鋼筋混凝土建筑則要8～12個(gè)月左右。

5.宜于拆卸搬遷。一旦業(yè)主對(duì)所建廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化，則整個(gè)建筑可在很短時(shí)間內(nèi)拆遷，損失極小，而所有這些特點(diǎn)是鋼筋混凝土建筑所無(wú)法具備的。

2.2門(mén)式剛架建筑的缺點(diǎn)

1.養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑物暴露在空氣中，鋼材易被腐蝕，必定期用油漆保養(yǎng)，混凝土則不需保養(yǎng)。

2.需做防火層。輕型鋼結(jié)構(gòu)在高溫室強(qiáng)度會(huì)減弱，必須作防火層，這樣當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，才有足夠的時(shí)間來(lái)逃生。而混凝土本身就是耐燃材料。

3.門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)先期投入大。由于需要一些專(zhuān)門(mén)的設(shè)備才能生產(chǎn)滿足要求的型鋼，因?yàn)橄鄳?yīng)的設(shè)備就復(fù)雜昂貴一些，有些設(shè)備甚至需從國(guó)外進(jìn)口。而鋼筋混凝土所用材料可隨建筑物的建造而就近運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)。

4.門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工需專(zhuān)業(yè)的人員。只有經(jīng)培訓(xùn)合格的人員，才可能建造出滿足精度要求、安全的輕型鋼結(jié)構(gòu)。

3門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展不足

門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中，還存在著諸多的不足，在規(guī)范方面還要繼續(xù)完善，在對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面涉及到的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)比較多，有著很強(qiáng)的交叉性，國(guó)家以及協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件等方面都有相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就對(duì)實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很大挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇就成為一個(gè)難題。例如在門(mén)規(guī)當(dāng)中對(duì)剛架形式均為單屋脊情況，具體的設(shè)計(jì)中，對(duì)跨度大的房屋在工藝流程等要求下會(huì)采用多屋脊結(jié)構(gòu)形式。而在設(shè)計(jì)中如果是采取了鋼規(guī)的規(guī)定就比較容易造成諸多浪費(fèi)現(xiàn)象。

門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論研究有待深化，在構(gòu)造的措施方面還需要優(yōu)化，門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展時(shí)間并不是很長(zhǎng)，在諸多層面都存在著不足，在針對(duì)性的構(gòu)造措施研究方面還需要進(jìn)行深化，例如在節(jié)點(diǎn)連接以及支撐布置等層面，都需要有扎實(shí)的理論支持。再有就是在結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法以及計(jì)算軟件方面，還要提高計(jì)算的效率水平，在計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)升級(jí)的需求還比較大。

4門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1合理跨度的確定

不同的生產(chǎn)工藝流程和使用功能在很大程度上決定著廠房的跨度。有的業(yè)主甚至要求輕鋼生產(chǎn)廠家根據(jù)自己的使用功能，確定較為經(jīng)濟(jì)的跨度，在盡可能滿足生產(chǎn)工藝和使用功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)房屋的高度確定較為合理的跨度。一般情況下，當(dāng)柱高、荷載一定時(shí)，適當(dāng)加大跨度，剛架的用鋼量增加不太明顯，但節(jié)省空間，基礎(chǔ)造價(jià)低，綜合效益較為可觀。通過(guò)大量計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)檐高為6米、柱距為7.5米、荷載情況完全一致情況下（恒載0.4KN/m2，活載0.5KN/m2，基本風(fēng)壓0.4KN/m2，無(wú)吊車(chē)），跨度在18～48m之間的剛架單位用鋼量（Q235-B）為18～35kg/m2；當(dāng)檐高為12m時(shí)（其他情況同上），跨度在18～48m之間的剛架用鋼量（Q235-B）為25～40kg/m2，當(dāng)檐高超過(guò)18m時(shí)，宜采用多跨剛架（中間設(shè)置搖擺柱），其用鋼量較單跨剛架節(jié)約16.7%左右，因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體要求在選擇方案時(shí)選擇較為經(jīng)濟(jì)的跨度，不宜盲目追求大跨度。

4.2剛架最優(yōu)間距的確定

剛架的間距與剛架的跨度、屋面荷載、擦條形式等因素有關(guān),在剛架跨度較小的情況下,選用較大的剛架間距,增加擦條的用鋼量是不經(jīng)濟(jì)的,因此從綜合經(jīng)濟(jì)分析的角度看,確定合理的柱距才能既節(jié)約鋼材,又使設(shè)計(jì)真正做到定型化、專(zhuān)門(mén)化、標(biāo)準(zhǔn)化以及輕型化,從而推動(dòng)門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)大量計(jì)算,筆者發(fā)現(xiàn)：隨著柱距的增大,剛架用鋼量比例是逐漸下降的,但當(dāng)柱距增大到一定數(shù)值后,剛架用鋼量隨著柱距的增大下降的幅度較為平緩。而其他如擦條、吊車(chē)梁、墻梁的用鋼量隨著柱距的增大而增加,就房屋的總用鋼量而言,隨柱距的增大先下降而后又上升。綜合各項(xiàng)用鋼量表明,對(duì)一定條件下的輕型鋼房屋而言存在一最優(yōu)柱距。表1所列即為一般情況下,柱高為6m,備種跨度對(duì)應(yīng)的剛架最優(yōu)間距。

綜合表1所示,一般情況下,門(mén)式剛架最優(yōu)柱距應(yīng)在6～9m之間,柱距不宜超過(guò)9m,超過(guò)9m時(shí),屋面擦條與墻架體系的用鋼量增加太多,綜合造價(jià)并不經(jīng)濟(jì)。

4.3確定科學(xué)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

輕型門(mén)式剛架的形式多種多樣,柱腳和基礎(chǔ)通常做成鉸接,多跨剛架的中柱多采用搖擺柱。但當(dāng)柱高度較大時(shí),為控制風(fēng)荷載作用下的柱頂位移值,柱腳宜做成剛接,多跨剛架的中柱與橫梁的連接也宜采用剛接,多跨剛架宜做成多坡,較為節(jié)省鋼材。

門(mén)式剛架一般采用實(shí)腹式變截面梁和柱來(lái)適應(yīng)彎矩變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹飯高度變化外,厚度也可根據(jù)需要變化；上下翼緣可用不同截面；相鄰單元的翼緣也可采用不同截面。因此,影響整個(gè)剛架用鋼量的因素有上翼緣的寬度、厚度；下翼緣的寬度、厚度；腹板的厚度；構(gòu)件大頭、小頭的高度：而且這些因素之間也相互影響,互們不獨(dú)立。柱通常為楔形桿件,楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2一3倍為最優(yōu)截面,門(mén)式剛架腹板主要以抗剪為主,翼緣以抗彎為主,在無(wú)振動(dòng)荷載作用下,可充分利用腹板屈曲后強(qiáng)度分析構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,將構(gòu)件設(shè)計(jì)成為高而窄的截面形式(最小截面高度宜取跨度的1/45一l/60,截面高寬比一般為3一5),PKPM系列軟件的SsT模塊截面優(yōu)化比較簡(jiǎn)單易行的方法是按照構(gòu)件的內(nèi)力來(lái)調(diào)整截面尺寸,經(jīng)過(guò)試算確定重量最小的截面。這種方法不但計(jì)算次數(shù)少,而且可以人工干預(yù)截面優(yōu)化范圍,快速的得到比較理想的截面尺寸。構(gòu)件的平面外穩(wěn)定可通過(guò)設(shè)置隅撐來(lái)保證,為使結(jié)構(gòu)具有可靠的整體穩(wěn)定性,縱向通常設(shè)置由十字交叉圓鋼組成的屋面橫向水平支撐,同時(shí),應(yīng)在柱頂和屋脊設(shè)置剛性系桿。在實(shí)際工程中,當(dāng)屋面與擦條連接可靠時(shí),可利用型鋼擦條兼做剛性系桿。有條件時(shí),擦條可設(shè)計(jì)成連續(xù)擦條,擦條平面外應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置相應(yīng)拉條。

4.4利用門(mén)式剛架截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)截面優(yōu)化的方法只要有兩種：1.用最優(yōu)化理論。首先可以把問(wèn)題歸納為一個(gè)單目標(biāo)的問(wèn)題，用鋼量最少或造價(jià)最低作為優(yōu)化的具體目標(biāo)函數(shù)。應(yīng)力、位移等可作為約束條件，最后用我們的數(shù)學(xué)方法得到最滿意解。2.窮舉法。首先仔細(xì)計(jì)算和比較各種合理的構(gòu)件截面形式，并在滿足具體設(shè)計(jì)要求的情況下，以用鋼量最少或造價(jià)最低為控制條件，得到滿意的截面尺寸。門(mén)式剛架常采用變化構(gòu)件的截面來(lái)適應(yīng)彎矩變化以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。除腹板高度變化外，厚度也可根據(jù)需要變化；上下翼緣可用不同截面；相鄰單元的翼緣也可采用不同截面。因此，影響整個(gè)剛架用鋼量的因素有上翼緣的寬度、厚度；下翼緣的寬度、厚度；腹板的厚度；構(gòu)件大頭、小頭的高度；而且這些因素之間也互相影響，互相不獨(dú)立。工程設(shè)計(jì)從形式來(lái)說(shuō)，是一種基于非常嚴(yán)格的力學(xué)和數(shù)學(xué)方法的精確運(yùn)算過(guò)程。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起重要作用的并不是那些運(yùn)算方法和數(shù)學(xué)處理，而是一系列難以用精確的計(jì)算解決的，具有主觀色彩的決策問(wèn)題，所以，完全用最優(yōu)化理論來(lái)解決截面優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的復(fù)雜性。另外，用窮舉法解決截面優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，多因素決定了計(jì)算次數(shù)隨構(gòu)件數(shù)增加而呈指數(shù)關(guān)系增加，故當(dāng)剛架構(gòu)件較多時(shí)，要花費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。當(dāng)設(shè)計(jì)者確定了結(jié)構(gòu)形式后，截面優(yōu)化比較簡(jiǎn)單易行的方法是按照構(gòu)件的內(nèi)力來(lái)調(diào)整截面尺寸，經(jīng)過(guò)試算確定重量最小的截面。這種方法不但計(jì)算次數(shù)少，而且可以人工干預(yù)截面優(yōu)化范圍，快速的得到比較理想的截面尺寸。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)施中，還存在著諸多的不足有待優(yōu)化，在當(dāng)前建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展下，對(duì)門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)用將會(huì)成為發(fā)展主流，所以在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作方面要加強(qiáng)重視，為實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，保障鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]輕型門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)