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标题 门式刚架结构设计选材对用钢量及净空间的影响
范文 王艳

【摘要】本文以某锅炉房主厂房的设计为例，探讨门式刚架结构设计中选材对用钢量及净空间利用的影响。文中主要进行轧制H型钢与焊接H型钢的计算比对，以及Q235B钢材与Q345B钢材计算结果对用钢量以及厂房净空间上的影响。另外，考虑建筑高差效果引起风荷载等变化后在结构计算上产生的受力影响，导致用钢量的变化等，提出此类工业厂房设计中应该注意的问题。
【关键词】门式刚架；应力比；长细比；宽厚比；用钢量
【中图分类号】TU33.7
【文献标识码】B
【文章编号】1671-3362（2017）01-0052-02
本工程門式钢架主跨度21.9米（刚架檐口高度H=11.6米）+9.0米（檐口高度H=9.6米），间距5.7米，边距4.8米。根据工艺条件配合布置共5榀刚架。本工程由于场地限制、厂房内工艺设备布置，特别是管道布置等空间因素限制，不允许采用变截面钢柱。厂房平面简见图1，刚架GJ-1立面见图2。
1.方案一
本工程应施工工期要求，施工单位要求节省焊接工期，门式刚架21.9米跨梁柱均采用热轧H型钢HM588×300×
12×20，9.0米跨梁柱均采用热轧H型钢HM340×250×9×14。均选用钢材Q235B。
1.1刚架梁：平面外计算长度取支撑间距3.0米，经计算结果显示应力比值为0.64。
1.2刚架柱：平面外计算长度取柱全高11.6米，经计算结果显示应力比值为0.90。长细比λ=176>[λ]=150，不安全。
1.3刚架柱平面外计算长度取横向支撑间距，分别为6.0米及4.5米，计算所得应力比值为0.66。
长细比λ=122<[λ]=150，满足安全要求。
按此方案计算所得，每榀刚架用钢量8535kg，钢材型号Q235B。
2.方案二
不考虑工期因素，计算时考虑压型钢板、檩条、墙梁等非结构构件蒙皮效应，梁、柱平面外计算长度均取隅撑间距3.0米，钢材Q235B，梁柱选用焊接H型钢，21.9米跨梁柱均采用焊接H型钢H600X250×11×17，9米跨梁柱均采用H型钢H350×175×7×11。
2.1刚架柱焊接板件翼缘宽厚比h0/tw=（250-11）/2/17=7.3<13，满足要求。
2.2刚架梁：平面外计算长度取3.0米，计算结果显示应力比值为0.81。
2.3刚架柱：平面外计算长度取3.0米，计算结果显示应力比值为0.85。
柱长细比λ=122<[λ]=150，钢材型号Q235B，经计算每榀刚架用钢量6507千克。
方案二对比方案一节约钢材量：（8535-6507）/8533=23.7%。
3.方案三
为缩小截面，节省空间，本方案选用钢材Q345B计算，除钢材选用Q345B外，其余条件均同方案二。
21.9米跨梁柱均采用焊接H型钢H550×200×10×16，9米跨梁柱均采用H型钢HN300×150×6.5×9。
3.1刚架柱焊接板件腹板高厚比h0/tw=（550-16X2）/10=51.8<80，满足要求。
3.2刚架梁：平面外计算长度取3.0米，经计算应力比值0.82。
3.3刚架柱：平面外计算长度取3.0米，柱应力比值0.83。
柱长细比λ=137<[λ]=150，钢材型号Q345B，经计算每榀刚架用钢量4989千克。
对比同条件Q235B节约钢材节约钢材6507-4989=1518千克，但Q345B钢材市场单价较Q235B要高，工程技术经济分析需根据市场价格判断选用此方案的经济性。
4.方案四
除考虑压型钢板、檩条、墙梁等非结构构件蒙皮效应，厂房9.0米跨高度抬高约1.0米，与21.9米跨平齐（由9.6米增高至10.6米），刚架屋面顺坡无高差。
21.9米跨梁柱均采用热轧H型钢HN550×200×10×16，9米跨柱采用热轧H型钢HN400×200×8×13，9.0米梁同21.9m梁HN550×200×10×16。钢材均选用Q235B。
4.1刚架柱焊接板件腹板高厚比h0/tw=（550-16X2）/10=51.8<80，满足要求。
4.2刚架梁：平面外计算长度取3.0米，应力比值0.70。
4.3刚架柱：平面外计算长度取3.0米，柱应力比值0.59。
柱长细比λ=140<[λ]=150，钢材型号Q235B，计算得知每榀刚架用钢量6193千克。
对比同条件不抬高厂房节约钢材用量：（6507-6193）/6507=5% 。
5.注意要点
5.1柱为压弯构件，需按应力比及长细比两方面控制其安全性；
5.2由于弯矩按构件刚度进行分配，梁柱截面大小选取会互相影响，比如梁截面增大，刚度增加，分配的弯矩即增大，对柱有利，反之柱截面减小，分配弯矩减小，梁分担弯矩增大，会导致原截面不足，在构件选材中应注意；
5.3焊接钢构件应验算腹板高厚比、翼缘宽厚比，均需满足相应规范中对这些参数的限值要求。
6.总结分析
6.1方案一设计应工期要求，选用轧制H型钢，在窄翼缘型钢HN600×200×
11×17平面外应力比计算不满足安全要求的情况下，需选用同高度的中翼缘H型钢HM588×300×12×20，由于轧制中翼缘型钢的腹板及翼缘厚度均相应增加，所以与采用焊接钢构件计算结果对比，轧制H型钢用钢量增加，造成一定程度的浪费。但从使用空间上来讲，焊接H型钢截面减小幅度不大，仅是在板件厚度方面节省用钢量。
6.2对于大跨度刚架，若构件截面较大，在对造价有利的情况下，可适当考虑采用Q345B钢，以减小截面，便于厂房内部净空间利用。
6.3对于有高低跨刚架厂房，若高差较小，可考虑抬高低跨部分，消除高低差，有利结构计算并节约钢材，此部分可在经济分析上结合建筑墙体造价等共同考虑后决定。
参考文献
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003
[2]《混凝土结构设计规范》GB50007-2010
[3]《钢结构设计手册》（第三版）
[4]《钢结构连接节点设计手册》（第二版）
（作者单位：大连热电工程设计有限公司）
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更新时间：2024/12/23 2:19:43