门式刚架轻型房屋的经济合理性设计

2022.11.07

黄忠

[摘要]本文分析了门式刚架轻钢结构的特点，结合工程经验，重点探讨了控制含钢量的主要因素以及风吸力作用下檩条的设计与构造。

[关键词]门式刚架;钢材钢号;跨度;柱距;风吸力;檩条文章编号：2095 - 4085（ 2019） 04 - 0051 -01

1 引言

本文結合以往实际工程，介绍单层门式刚架控制含钢量的主要因素以及如何有效的确保风吸力作用下围护结构的稳定性。

2 门式刚架的特点

（1）自重轻门式刚架围护结构为薄壁型钢+压型钢板，自重很轻。钢结构自身负荷小，可以减少基础费用。

（2）力学性能好门式刚架特别适合大跨度结构。钢结构的适用跨度一般要比混凝土结构大，而门式刚架的跨度优势更明显。门式刚架做36m跨度轻而易举，而混凝土结构要做36m跨度极难实现，且必须经过专家论证方可实施。

（3）施工速度快刚架主体构件及檩条、拉条均在工厂加工制作，现场多为螺栓连接，安装速度快，质量也好控制。

（4）造价低单层门式刚架厂房用钢量在20～40k/m2，后期维护费用也不高，比混凝土结构经济。

3 门式刚架含钢量的控制因素

门式刚架的用钢量主要与结构形式，建筑尺寸，负荷大小，钢材级别等条件有关，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。本文主要探讨钢材钢号，跨度，柱距三方面与门刚架含钢量的关系，为以后更好的优化工程设计提供一定的参考价值。

3.1 钢材钢号对含钢量的影响。

现在国内门式刚架主要采用碳素钢Q235和低合金钢Q345两种型号的钢材，随着建筑钢材市场的发展和国家推荐使用高强度钢材的政策调控，Q345钢和Q235钢价格差距越来越小，Q345钢的优势越来越明显。

门式刚架主要由钢柱和斜梁组成主要受力构件。钢梁的截面大小主要由屈服强度控制，钢梁的平面外有屋面檩条和隅撑的支撑以及屋面压型钢板行成的蒙皮效应，钢梁稳定性很容易满足。Q345钢的屈服强度约为Q235钢的1.4倍，钢梁采用Q345钢对优化含钢量效果非常显著。钢柱的截面大小则主要由长细比和稳定性控制，Q345钢柱的控制长细比约为Q235钢柱控制长细比的80%，也就是说同截面钢柱的计算长度采用Q345钢比Q235钢限制更加严格。我们在设计中一般对钢柱平面外设置柱间支撑或刚性系杆来减小钢柱计算长度，比增大柱截面更合理更经济。因使用功能要求无法设置支撑和刚性系杆，采用高强度钢对平面外稳定性计算也是有利的，参见钢结构设计规范GB5007 - 2003第5.2.2条。

根据以往的工程经验，在荷载相同、跨度相同条件下，Q345门刚用钢量较Q235门刚用钢量少，且随着荷载增加，用钢量差值增大。

3.2门刚跨度对含钢量的影响

门式刚架体系存在经济跨度，不宜盲目追求大跨度。常规门式刚架的经济跨度在18～ 30 m，根据吊车吨位大小合理选用。采用合理跨度可以节省钢材，降低总造价。经济跨度的主要影响因素是荷载，因为荷载大则柱截面大，若跨度较小，柱用钢量占比大，会使其单位用钢量上升。若跨度太大，梁截面显著增大，也会增加单位用钢量。

对于多跨门式刚架，中间柱可以设为摇摆柱与钢梁铰接来减少用钢量，但并不是摇摆柱的数量越多越经济，与边柱较近的两跨中间柱若设为摇摆柱，则会使弯矩传递至边柱，边柱截面设计很大，在经济上和使用功能上都很不合理。

3.3 门刚柱距对含钢量的影响

通过不同柱距门式刚架的比较，可以发现，柱距小于7m时，用钢量随柱距的增大呈降低趋势。柱距在7～9m内，用钢量变化很小。柱距超过9m后，用钢量逐步上升。当荷载条件相同时，各种跨度刚架体系的经济柱距基本相同，但跨度越大时，采用经济柱距的效益越显著。

由此可见，对于常规门式刚架，其经济柱距一般为7m～9 m，采用合理的柱距可降低总造价，经济效益非常可观。

4风吸力作用下围护结构的合理设计

在风吸力作用下，檩条下翼缘受压，上翼缘拉条不能保证檩条下翼缘的稳定。在半封闭型门式刚架厂房中，角部和边缘区域的风荷载体型系数比较大，檩条计算在风吸力作用下的稳定性很难满足，即使是采用Q345钢的檩条截面尺寸也不小。相对中间区域的风吸力则较容易满足，但檩条截面高度须设计同高，否则屋面很不美观且严重影响屋面排水。围护结构主要含钢量就体现在檩条墙梁的截面上，因此纯粹增大截面不经济，设计上常采取构造措施保证下翼缘风吸力作用稳定性，即采用双层拉条，在檩条下翼缘1/3处同样设置拉条来约束。双层拉条在施工上会稍有不便，但拉条仅占总含钢量的2%～3%，当风吸力起控制作用时，设置双层拉条比增大檩条截面要经济很多。

5结论

在门式刚架设计中若能结合工程特点和条件，合理选择Q235钢或Q345钢，采用经济跨度和柱距，从而节约钢材，降低造价，达到较高的经济效益。在风吸力作用下围护结构檩条及墙梁采用斜拉条互拉的做法，值得在国内大力推广，有利于促进我国钢结构的技术进度和工程普及。

参考文献：

[1] CECS102： 2002.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[s].

[2] GB50017 -2003，钢结构设计规范[s].