常州理研精工车间结构设计优化

常州理研精工车间结构设计优化

林沂祥　华可琰　张洪亮　顾祝平　张晓伟

(江苏华源建筑设计研究院股份有限公司， 江苏常州　213022)

摘　要：结合某轻钢结构厂房工程实例，在前期规划阶段对本工程的结构设计进行了方案分析，以选择合理的结构体系；总结了多种可能影响用钢量的因素，并根据结构受力特点，有针对性地采取各种优化措施来节约用钢量，并提出了该门式刚架结构设计的一些注意事项。

关键词：门式刚架；轻钢结构；结构方案；优化设计；优化措施

DOI:10.13206/j.gjg201510010

ABSTRACT：Combined with a project example of light steel structural plant, the structural design was discussed in the preliminary planning phase so as to select a reasonable structure system. Various factors that may affect steel consumption were summarized. According to the mechanical properties of the structure, optimization measures were taken to save the steel consumption pertinently. Finally, some issues about the portal frame structural design were also given,and certain experience for future design was proposed.

收稿日期：2015 - 03 - 14

STRUCTURAL DESIGN OPTIMIZATION FOR STEEL PLANT OF CHANGZHOU RIKENSEIKO MACHINERY

Lin Yixiang　Hua Keyan　Zhang Hongliang　Gu Zhuping　Zhang Xiaowei

(Jiangsu Huayuan Architectural Design & Research Institute Co.Ltd, Changzhou 213022, China)

KEY WORDS：portal frame; light steel structure; structural project; optimal design; optimization measures

第一作者：林沂祥，男，1981年出生，硕士，工程师。

E-mail：[e-mail]

随着国家经济建设的快速发展，门式刚架轻型钢结构厂房以其质量轻、工业化程度高、跨度大、工期短及造价省等优点获得了广泛的应用，因此，在门式刚架厂房的设计中，为充分发挥其优越性，结构工程师应尽可能地优化结构设计，在保证安全的基础上最大限度地降低用钢量，以取得良好的经济效益。本文结合工程实例对轻钢结构厂房的设计进行探讨。

1　工程概况

常州理研精工机械车间位于江苏省常州市钟楼区的飞龙西路与江南路交叉路口，该车间为单层门式刚架钢结构厂房，建筑面积20 565 m2，总宽122 m，总长182 m，该工程为高低5连跨结构，其中—轴为双坡两跨(跨度均为18 m)，每跨有两台10 t(A5级工作制)单梁吊车，牛腿标高9.300 m，檐口标高11.900 m；—轴为双坡3连跨结构，檐口标高8.100 m，局部布置2 t和3 t悬挂吊车各1台。排架柱距为8.1 m(局部抽柱处柱距为12.0 m)，其建筑平面和剖面如图1所示。

a—平面；b—剖面。
图1　建筑布置示意

2　结构方案分析

根据原先的厂区规划，要求在厂区内新建两个独立的钢结构车间，即—轴为1个两跨车间，—轴为1个3跨车间，两车间之间预留1条汽车通道以方便产品运输，并在车间的两侧设置 8 m 的悬挑雨蓬，用于产品的堆放。

为了让工程尽量做到经济、节约，本工程从建筑方案前期就开始对结构方案进行比较、优化，经过对比分析及与甲方多次沟通协商，最终决定将两个车间合二为一，并将—轴间的柱距进行调整(同时工艺布置也作相应调整)：—轴车间不变，双坡双跨共36 m，将—轴车间与之相连，甲方要求的3跨(3个不同的功能分区)跨度调整为(28+30+28)m双坡，同时在—轴之间的山墙开设 9 m宽的大门并预留1条汽车通道方便运输。

通过方案调整，本工程减少了1排钢柱的数量，基础数量也相应减少；且中柱(轴、轴)做成摇摆柱，柱脚按铰接设计，由于基础仅承受轴心荷载，其尺寸可以设计的很小；另外由于—轴范围内布置了单梁吊车，吊车运行时会产生横向水平力，刚度要求较高，为提高刚架侧移刚度、加强空间整体性，此处柱脚采用刚接。因为—轴处刚架具有较大的刚度，—轴处柱脚采用铰接，刚架的柱顶位移在梁柱截面不大的情况下也非常容易满足CECS 102∶2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[1]中h/60的要求(h为柱高)。

根据以往工程经验及文献[2]，无吊车轻钢结构的刚架间距在7.5~9 m比较经济，考虑本工程主体长度为162 m且大部分区域无吊车,故刚架间距取为8.1 m。

3　结构设计优化措施

为保证在结构安全的基础上达到最小的用钢量，对刚架、吊车梁、围护系统及其他次要结构进行了优化。主要采取了以下措施：

1)在强度控制的情况下，考虑Q345钢具有较高的性价比，一般比Q235钢节省用钢量15%左右。因此，本工程吊车梁、钢梁、钢柱及檩条等受力构件均采用Q345B钢材，其余则采用Q235B钢材。

2)刚架荷载取值对轻钢结构的用钢量具有很大的影响，但又不能一味取小，应按实际情况计算。经计算，本工程恒荷载取0.22 kN/m2，小于通常情况下0.25~0.30 kN/m2的取值，活荷载取0.30 kN/m2(用于刚架计算)，并与雪荷载比较取大值，—轴局部有支架荷载，此处活荷载增加0.10 kN/m2。根据以往工程经验及历年大雪的实际考验，门式刚架雪荷载可以按当地50年重现期的雪压取值，不必按雪荷载敏感结构100年重现期考虑荷载[3]。

3)经计算发现，除了摇摆柱，其余排架柱平面外稳定均不易满足要求，其原因是刚架柱的牛腿或檐口较高(工艺要求)，根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》[4]第5.1.7条可在柱身一半高度处增加纵向水平系杆，以减小钢柱的平面外计算长度；该方案与加大柱截面方案相比，单榀用钢量减少了近1 t。所有梁截面尺寸根据弯矩包络图选用楔形截面，以节省钢材，中间榀刚架的计算简图见图2。需要注意的是，用于减小刚架柱平面外长度的纵向水平系杆，因其支撑多根钢柱，往往承受较大的支撑力，不能只按容许长细比来计算系杆截面，当其轴线通过钢柱截面剪心时，沿系杆屈曲方向的支撑力应按GB 50017—2003第5.1.7条计算，且1道支撑架在一个方向所撑柱数不宜超过8根[4]。

1—H500×250×6×12； 2—H600×280×6×12；3—H240×240×6×10；4—H(350~800)×240×6×10；5—H(600~400)×180×5×8；
6—H400×180×5×8；7—H(400~650)×200×6×8；8—H(950~600)×240×6×12；9—H600×180×5×8；10—H(950~800)×240×6×12；
11—H(800~1250)×220×8×12；12—H(600~850)×200×6×10。
图2　中间榀刚架计算简图

4)吊车梁如果直接按受力情况参考03SG520-2《实腹式钢吊车梁》图集[5]选用则需要1 122 kg/根(按8.1 m标准柱距计算)，但如果根据吊车资料全部按实际荷载计算，并满足GB 50017—2003要求(强度、稳定、挠度等)，每根梁质量仅需837 kg,比之前方案节省30%左右。建议门刚结构设计中，吊车梁、系杆、支撑等构件根据实际受力进行计算，按GB 50017—2003要求选用较为经济的型钢，避免浪费。

5)梁柱连接节点高强度螺栓计算时，采用PKPM工程部编制的STS软件推荐的第一种方法(假定中和轴在受压区最下两排螺栓中心)，这比STS中推荐的第二种方法(假定中和轴在螺栓群形心)有所节约，前者无论是节点板厚还是螺栓数量都比后者要经济很多(选取轴处梁柱连接节点处的端板为例，具体详见图3)，这也符合门式刚架结构中摩擦型连接高强螺栓的受力特点。计算梁柱连接时，根据JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[6]，首次引入了撬力的设计方法，根据T型件的设计理论模型对端板连接节点进行设计，该设计方法更加符合工程实际；但目前钢结构软件中还没有采用此计算方法。STS中的两种算法：算法一根据文献[7]得出，此方法与文献[6]基本一致，但没有考虑撬力的影响；算法二根据GB 50017—2003得出，计算摩擦型高强螺栓时，将端板视为刚体，不发生弯曲变形，计算时假定端板接触面保持紧密贴合不被拉开，转动中心位于螺栓群形心处，此方法对端板要求较高，且会造成螺栓材料的浪费，当端板较薄时又会造成不安全的现象[8]。本工程采用外伸式端板，综合比较两种算法，算法一更加合理、经济。

a—方法一；b—方法二。
图3　端板构造

6)本工程抗风柱为26根，抗风柱主要承受山墙风荷载作用，山墙较高时其平面外稳定不易满足要求，但利用墙梁及隅撑可以对柱子上、下翼缘构成侧向约束，从而减小抗风柱的平面外计算长度。不过随着柱子侧向刚度的增大，隅撑 - 檩条体系所能提供的支撑作用迅速减弱；当受压翼缘面积A<>[2]。根据此受力特点，调整抗风柱间距以减少受荷面积，将抗风柱截面尺寸减小(大部分截面为H400×170×5×8)，同时满足强度及稳定要求。

7)经比较，连续檩条比简支檩条用钢量要节省16%左右，故屋面采用Z型连续檩条，因保温要求，檩条上下翼缘处都有屋面板，且屋面底板可以约束檩条侧向稳定，这对减小檩条截面非常有利，最终屋面檩条规格为Z180×2.0(8.1 m中跨)。屋面檩条计算分边跨及中跨，在高低屋面处考虑2倍积雪荷载，采取调整檩条间距，让不同荷载区域的檩条高度保持一致，同时也方便施工及排水。墙面檩条根据跨度不同分别计算，通过改变壁厚而保持高度一致，既美观又可以适当减少檩托的用材。在计算屋面檩条时，由于屋面采用暗扣式彩钢板，屋面板不能作为檩条的侧向支撑[1]，故将拉条设置在檩条的上翼缘附近，更有利于保证檩条的整体稳定、减小檩条截面尺寸。

8)本工程经与各专业沟通后，使气楼截面在满足使用要求的条件下，尽量做到最小、最优化，并且做成单坡，这样气楼屋面上仅仅布置了两道纵向檩条。

4　注意事项

1)局部抽柱设托梁处，托梁两端支承于刚柱上，但由于托梁刚度远大于钢柱弱轴方向的刚度，容易导致钢柱在平面外失稳，故托梁与刚架柱的连接采用铰接，只传递竖向力，不传递弯矩。为提高整体稳定性并为托梁提供侧向支撑，在托梁处局部应布置屋面纵向水平支撑，并向两端各延伸一个柱距。

2)柱脚锚栓直径除按计算要求确定外，还应考虑构造要求，不能一味追求节约造价，而忽视工程上实际可能承受部分剪力等不利因素(理论计算时，柱底剪力全部由柱底抗剪键承担)，一般当刚架跨度不大于27 m时，采用4个M24锚栓；当刚架跨度不大于 30 m 时，采用4个M30锚栓[9]。

5　结束语

结构专业在前期规划阶段就应进行结构方案的确定，通过选择合理的结构体系来降低造价；并在设计阶段，根据各构件的受力特性，有针对性地采取各种措施来节约用钢量，如采用高强钢材、按实际情况确定荷载、在柱身中部增加侧向支撑、屋面采用连续檩条等优化措施减少门式刚架轻钢结构的用钢量，从而大大提高了钢结构厂房的经济性。经统计，本工程用钢量为：主刚架14 kg/m2，吊车梁(含悬挂吊)3.9 kg/m2,檩条、系杆等10 kg/m2。

参考文献

[1]　CECS 102∶2002　门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．

[2]　陈友泉，魏潮文．门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009．

[3]　金新阳．建筑结构荷载规范理解与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[4]　GB 50017—2003　钢结构设计规范[S]．

[5]　03SG520—2　实腹式钢吊车梁[S].

[6]　JGJ 82—2011　钢结构高强度螺栓连接技术规程[S]．

[7]　陈绍蕃．门式刚架端板螺栓连接的强度和刚度[J]．钢结构，2000，15(1)：6 - 11.

[8]　白睿，郝际平，田黎敏，等，螺栓撬力修正计算方法[J]．建筑结构，2013,43(9)：88 - 91.

[9]　中国建筑标准设计研究所. 全国民用建筑工程设计技术措施(结构)[M].北京：中国计划出版社，2003.