关于门式刚架用钢量控制指标的分析

        门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式,随着我国经济建设的迅速发展,这类结构以其用钢量省、造价低、施工速度快、外形美观以及适用范围广等优点而被广泛地应用。其中用钢量省、结构轻巧、适用范围广是门式刚架最主要的特点,因此,在门式刚架的设计中,为了充分发挥其优越性,结构工程师应尽可能地优化结构设计,从而达到“用钢量最省”这个目标。

        门式刚架的用钢量主要与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能、抗震等级、有无吊车、单跨多跨等条件有关,其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱距、檐口高度和屋面坡度。

1、柱距及跨度对用钢量的影响

1.1　柱距对用钢量的影响。经过对大量工程实例统计及计算,可以发现,柱距为7~9m时,总用钢量基本保持稳定。小于7m时,总用钢量随柱距增大普遍呈降低趋势,降幅随跨度的增大而增加,柱距超过9m时,由于檩条、支撑、吊车梁等构件的用钢量大幅上升,造成总用钢量上升因此,对于常用刚架,建议柱距取7~9m,当无吊车或吊车吨位较小时,柱距可取8~9m,当吊车吨位较大时,柱距可取7m左右,用钢量比常规6m柱距可节省3%~5%,总造价可节省2%~6%,经济效益非常可观。另外同时应考虑设计的标准化、定型化、品种规格化等因素的影响。

1.2　跨度对用钢量的影响。门式刚架的经济跨度一般在18~36m,吊车吨位较大时,经济跨度在24~36m,无吊车或吊车吨位较小时,经济跨度在18~24m,采用合理经济跨度可以节省钢材5%~15%,总造价降低2%~7%。影响经济跨度的主要因素是荷载,荷载越大时,总用钢量对跨度越敏感,越应注意采用合理跨度。这是因为荷载大则柱截面大,若此时跨度较小,其单位用钢量必然上升。若跨度增大,梁截面又显著增大,也会导致单位用钢量的上升。在设计时,应进行几个方案的综合比较,选择适宜的跨度和跨数。

2、结构形式对用钢量的影响

轻型门式刚架的形式多种多样，柱脚与基础通常做成铰接，多跨刚架的中柱多采用摇摆柱。但当柱高度较大时，为控制风荷载作用下的柱顶位移值，柱脚宜做成刚接，多跨刚架的中柱与横梁的连接也宜采用刚接，多跨刚架宜做成多坡，较为节省钢材。门式刚架一般采用实腹式变截面梁和柱，柱通常为楔形杆件，横梁通常做成加腋梁，加腋长度一般取跨度的1/6～1/5较为经济，楔形柱的最大截面高度取最小截面高度的2～3倍为最优截面。

门式刚架腹板主要以抗剪为主，翼缘以抗弯为主，在无振动荷载作用下，可充分利用腹板屈曲后强度分析构件的强度和稳定性，将构件设计成为高而窄的截面形式(最小截面高度宜取跨度的1/45～/60，截面高宽比一般为3～5)，构件的平面外稳定可通过设置隅撑来保证，为使结构具有可靠的整体稳定性，纵向通常设置由十字交义圆钢组成的竖向支撑及屋面横向水平支撑，同时，应在柱顶和屋脊设置刚性系杆。在实际工程中，当屋面与檩条连接可靠时，可利用型钢檩条兼作刚性系杆。在有条件时，檩条可设计成连续檩条，檩条平面外应根据具体情况设置相应拉条。

3、平面布置对用钢量的影响

按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶2002)中规定,当横向长度超过150m,纵向长度超过300m时须设置伸缩缝,从构造上来说,设置伸缩缝不存在任何问题。不过,一般做法是采用双柱,因此用钢量相应有所增加,特别是纵向伸缩缝,增加的柱子较多,所以,在进行门式刚架平面布置时应尽量使平面尺寸在不设伸缩缝的范围之内,这样,就可以减小总的用钢量。

4、门式刚架梁柱连接节点的优化设计

门式刚架梁与柱的工地连接，常用螺栓端板连接，它是在构件端部截面上焊接一平板(端板与梁柱的焊接要求等强，多采用熔透焊)并以螺栓与另一构件的端板相连的一种节点形式，其连接形式按规程分为端板平放、竖放、斜放三种基本形式（图1）。每种形式又可分为端板平齐式及端板外伸式两种连接方法(图2)。螺栓群的受力分布又有多种设计方法，即三角形分布法、英国规范法、欧洲规范法、T型件法(美国规范)，如图3所示。图3(a)认为受拉翼缘两侧螺栓承受拉力相同，然后按三角形分布确定其它螺栓所受拉力。图3(b)认为受拉翼缘内侧第一排螺栓承受拉力达到最大，其余拉力重新分配到其它螺栓，每排螺栓独立发展至最大，此法难以确定各排螺栓的最大承载力。图3(c)认为拉力按三角形分布，受拉翼缘最外一排螺栓承受拉力最大，受压翼缘最外一排螺栓承受拉力为零。图3(d)将弯矩简化为作用于上下翼缘间的一对力偶，拉力仅由受拉翼缘两侧螺栓承担，将受拉翼缘与这两排螺栓简化为T型件确定其承载力。

图1梁柱连接形式图2端板连接形式

(a)一端板竖放;(b)一端板横放;         (a)一端板外伸式连接;

(c)一端板斜放                      (b)一端板平齐式连接

图3螺栓拉力分布形式图4建议节点连接形式

(a)一英国规范;(b)一欧洲规范;(c)一二角形法;(d)一美国规范

端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐式连接，因此应尽量采用外伸式端板连接，同时应在节点板外伸部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧螺栓受力均匀，接近一致。螺栓拉力的分布建议按以下情况考虑。其中图4要求端板厚度不宜小于螺栓直径。为减少端板厚度，应在端板连接螺栓之间设置加劲肋，使端板的支承边界均为三边或两边支承，从而提高连接节点的强度与刚度。

5、次构件对用钢量的影响

屋面檩条、墙面檩条的用钢量一般占总用钢量的20%~25%,因此,正确的构件设计和构造对保证整体结构的安全、节省用钢量、控制造价有着十分重要的意义。檩条、墙梁宜优先选用Q345镀锌卷材,一般采用冷弯薄壁型钢,因为冷弯型钢实腹檩条受力性能好、承载力高、整体刚度大,可以节约钢材、减轻结构用钢量;而且冷弯型钢实腹檩条制造安装方便,可叠合堆放,是一种合理的檩条形式。冷弯薄壁型钢实腹式檩条主要采用卷边C型檩条和带斜卷边(或直卷边)的Z型檩条。卷边Z型檩条用于坡度大于1/4的屋面较为合理,此时,屋面荷载作用线与截面主轴方向相当接近,弱轴方向的力分量很小,一般来说,坡度平缓的屋面采用卷边C型檩条。但由于卷边Z型檩条可以叠合运输,因此目前广泛地应用在坡度平缓的屋面。设计时采用连续檩条或连续墙梁,可比《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶2002)中规定的简支檩条节约钢材10%左右。

6、钢材类型对用钢量的影响

在设计时,主刚架宜采用Q345-A钢材,材质符合《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-94)要求,吊车梁宜采用Q345-B钢材。在最优跨度24~30m的范围内,无论柱间距大小,采用Q345钢的用钢量均比采用Q235钢的用钢量下降16%左右,成本稍高的热加强钢材不仅强度提高,由于结晶组织的改善而韧性提高,同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能。而Q345钢价格仅比Q235钢的价格每吨高100多元,所以采用低合金高强度钢是降低总用钢量的重要途径之一。

7、结　语

综上所述,可以得到以下结论:

1)当无吊车或吊车吨位较小时,柱距可取8~9m,当吊车吨位较大时,柱距可取7m左右。

2)吊车吨位较大时,经济跨度在24~36m,无吊车或吊车吨位较小时,经济跨度在18~24m。

3)檩条可采用连续卷边Z型檩条来代替传统简支C型檩条。

4)在满足焊接工艺及其他条件要求的前提下,并且设计由强度控制时,尽量采用低合金高强钢材。

5)在满足工艺布置的前提下,尽量减少变形缝的设置。

6)在可能的条件下,尽量采用铰接平板柱脚。