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浅谈门式钢架轻型房屋钢结构优化设计

文档作者：蔡明喜，牛梦实文档来源：兰州有色冶金设计研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月03日
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第33卷第4期
2011年8月
甘肃冶金
GANSU METALLURGY
V01．33 No．4
Aug．，2011
文章编号：1672-4461 f2011)04-0130-04
浅谈门式钢架轻型房屋钢结构优化设计
蔡明喜，牛梦实
(兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃兰州730000)
摘要：轻型门式刚架厂房是目前单层工业厂房中一种常见的结构形式。其用钢量省、结构轻巧、适用范围广是此
类厂房最主要的特点，因此，在轻钢结构厂房的设计中，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。
关键词：轻型钢结构厂房；用钢量；柱距；跨度；荷载
中图分类号：TU392．5 文献标识码：B
Design of Steel Structure of Light-weight Building with Gabled Frames
CAI Ming—xi，NIU Meng—shi
(Lanzhou Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co．Ltd．，Lanzhou 730000，China)
Abstract：Steel structure of light—weight building with gabled frames，as a cominon structure style，is used in single—story
factory buildings．The main characteristic of such structure is with the steel quantity province，the structure dexterous，
and，wide application．Therefore，in light steel structure workshop design，structural en~neer should possible optimize
structure design as far as，to achieve the goal of the most steel quantity saving．
Key W ords：portal frame light steel structure workshop；the quantity of steel；column space；span ；load
1 引言
单层轻型门式刚架厂房在我国的应用大约始于
20世纪80年代的初期。由于其质量轻、柱网跨度
布置灵活、适用范围广、工业化程度高、施工周期短、
综合经济效益高等显著特点，近十几年来在我国各
行各业中得到了大量的应用。因此，结构工程师为
了发挥其特有的特点，在设计过程中对厂房结构进
行优化设计，降低用钢量就显得非常的有必要。轻
钢结构厂房的用钢量主要与结构形式、荷载大小、建
筑尺寸、钢材性能、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。本文通过笔者对多个算例的计算分析
和近些年所做的工程实例的统计及计算，比较了各
种柱距、跨度情况下的用钢量，并提出了各种情况下
的合理选择。
2 算例计算条件
本文依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规
程》(CECS 102：2002)，针对最常用的实腹式门式刚
架厂房作了用钢量的分析，为了具有可比性和代表
性，设计采用的计算条件为：
(1)屋面恒载取：0．3 kN／m ；屋面活载取：0．4
kN／m ；基本风压：0．4 kN／m 。
(2)分别对单跨和双跨两种横向布局形式(见图
1)进行各种情况下的用钢量的比较。
(3)柱距的变化范围为6—9 m(以0．5 m为模
数)。
(4)跨度的变化范围为l8～36 m(以3 m为模
数)。
(5)分别对有无吊车进行计算，其中有吊车厂房
中的吊车分别为5 t、l0 t、20 t的桥式吊车。
(6)檐口高度分别为：无吊车厂房6 m；有吊车厂
房9 mo
(7)屋面坡度为1：10的双坡屋面。
(8)无吊车厂房为铰接柱脚；有吊车厂房为固接
柱脚。
(9)计算程序选用PKPM-STS(2008版)。
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第4期 蔡明喜，等：浅谈门式钢架轻型房屋钢结构优化设计 I3l
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a单跨布局 C1单跨布局
图1 两种横向布置关系
3 柱距的合理选择
在轻钢厂房中柱距的选择是否合理将直接影响
厂房的用钢量。由于轻钢厂房的柱距不受模数的限
制，因此，在满足工艺专业的要求下，柱距的选择较
为灵活。图2所表示的是在24 m跨度、有无吊车条
件下不同柱距所对应的总用钢量的关系曲线。
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图2 柱距与总用钢量的关系
笔者通过对以上各种算例的计算及统计并结合
近些年所做的工程实例，可以发现，不管是单跨还是
多跨，柱距为7—8 m时，总用钢量基本保持稳定。
小于7 m时，总用钢量随柱距增大普遍呈降低趋势，
柱距超过8 m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—8 m。当无吊车或吊车吨位较
小时，柱距可取7．5—8 m；当吊车吨位较大时，柱距
可取7—7．5 m。用钢量比6 m、9 m柱距可节省3％
一5％，总造价可节省2％ ～6％ ，经济效益非常可
观。各家对理想柱距的定义范围略有不同，这是因
为研究时使用的荷载情况、檐高、跨度、计算软件以
及依据的规范的不同。从这些研究中可以得出一个
大致的结论，在通常使用的跨度范围内，7．5 m左右
的柱距可能得到较好的经济效果，小于7 m或超过
9 m以后，结构用钢量会明显增加。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。
4 跨度的合理选择
在轻钢厂房中跨度的选择是否合理也将直接影
响厂房的用钢量。因此，在满足工艺专业布局，甲方
及场地现状的要求下，厂房跨度的合理选择显得很
有必要。图3所表示的是在7．5 m柱距、有无吊车
条件下不同跨度所对应的总用钢量的关系曲线。
厂、38
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b 双跨
图3 跨度与总用钢量的关系
笔者通过对以上各种算例的计算及统计并结合
近些年所做的工程实例，可以发现，一般情况下，轻
钢结构厂房的经济跨度在l8—36 m。吊车吨位较
大时，经济跨度在24—36 m；无吊车或吊车吨位较
小时，经济跨度在I 8—24 m。采用合理经济跨度可
以节省钢材5％ 一15％ ，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
瓣
132 甘肃冶金 第33卷
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。
5 檐口高度的确定
当荷载、跨度、柱距等因素相同时，檐口高度
(柱长度)愈高，用钢愈大。这不仅仅是由于柱加长
了一节。更重要的是由于柱高增加，结构的侧向刚
度降低，柱顶在水平荷载作用下的侧移增大，要控制
柱顶位移值，必须增加柱截面尺寸。柱计算长度越
大，其稳定系数越小，柱越容易受压失稳，其临界压
力是与柱计算长度的平方成反比的。从铰接柱临界
力公式中可以看出，当柱计算长度不能改变时，要提
高柱的临界力，只有增大截面惯性矩(与截面尺寸
和截面形状有关)。对于受压构件，多采用对称截
面，如H截面、管形截面、箱形截面等，增大I临界力
必须要加大截面尺寸，或者减少柱在两个垂直方向
上的计算长度，例如增加系杆或隅撑等，这些都会导
致用钢量的增加。因此，在满足厂房正常使用的前
提下，尽可能的降低轻钢厂房的檐口高度，会使整个
厂房的用钢量有比较明显的降低。
6 荷载的准确确定
轻钢厂房在设计过程中首先要明确的就是厂房
所要承受的各种荷载效应。不言而喻，荷载的大小
对于结构用钢有着直接的影响。荷载增加，用钢会
随之增加。但是荷载考虑不足又会影响厂房结构的
安全度。因此，在设计开始前搜集各种资料并结合
相关规范合理的确定轻钢厂房所承受的各种荷载是
很有必要的。一般来说，轻钢厂房所承受的荷载主
要包括：恒载、活载、吊车荷载、风载、雪载及积灰荷
载等，其中活载与雪载不同时，只需要考虑二者较大
值。一般一个轻钢厂房的屋面投影面积不会小于
60 in 。因此在计算轻钢厂房刚架时，活载可以按
0．3 kN／m 取值。吊车荷载作用时，要考虑多台吊
车的荷载折减系数。在厂房刚架设计时，将各种荷
载以及各自的折减系数考虑周全，既能保证厂房在
结构设计过程中的安全可靠，又能最大限度的降低
用钢量。
7 次构件的合理设计
这里所说的次构件主要包括厂房的柱间支撑、
屋面水平支撑、山墙抗风柱、檩条及墙梁等构件。这
部分的用钢量一般占总用钢量的25％ 一30％。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。在无
吊车的轻钢厂房中，柱间支撑宜优先考虑设置柔性
支撑。在有吊车的轻钢厂房中，柱问支撑中的上柱
支撑也可优先考虑设置柔性支撑，下柱支撑可以考
虑设置型钢支撑。屋面水平支撑宜优先考虑设置柔
性支撑。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》(CECS
102：2002)中规定的简支檩条节约钢材10％左右。
8 钢材类型的合理选择
在结构设计时，主刚架宜采用Q345．B钢材，吊
车梁宜采用Q345．B钢材，材质符合《低合金高强度
结构钢》(GB／T 1591-2008)要求。这里钢材强度是
指钢的屈服强度，因为钢材的设计强度是根据其屈
服强度而确定的。国内建筑常用钢材为Q235和
Q345，即钢材的屈服强度=235 N／mm和：345 N／
Rim。当结构构件的截面是由其强度控制时，Q235
钢所需的构件截面面积为Q345钢的1．47倍。当
长度确定时，则构件Q235的用钢为Q345用钢的1．
47倍。因此当结构构件的用钢是由其强度控制时，
Q345的用钢要比Q235节约，可用上述的数值概念
来衡量。但当构件的尺寸是由变形(HU度)和稳定
控制时，钢材强度的影响就不十分显著，因为构件的
刚度和稳定与强度无关。但是构件由强度控制转化
为稳定或刚度控制常常不是一个明确的界限而是一
个范围，同时构件在满足稳定和刚度要求时，也需对
其强度或组合强度(例如，弯、剪、压共同作用)进行
检查或校核。笔者通过近年来所设计的轻钢厂房在
最优跨度24—30 m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15％左右，因此材料强度对构件的影响是存在
的。在如今Q345与Q235价格相差不多的情况下，
使用强度高一些的低合金高强度钢对节约钢材会有
明显的效果。
9 其他方面
轻钢结构厂房由于自重较轻，且柱顶高度一般
不高，柱底弯矩相对不大，因此，在设计时通常采用
舔瓣 端 0m
第4期 蔡明喜，等：浅谈门式钢架轻型房屋钢结构优化设计 l33
铰接柱脚，只有在有吊车时，才采用刚接柱脚。在多
跨门式刚架中，由于中柱两端柱顼弯矩很小，常做成
摇摆柱(两端铰接柱)，但应注意的是，当跨数较多
时，摇摆柱的数量应不多于3列。按照《门式刚架
轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102：2002)中规
定，当横向长度超过150 m，纵向长度超过300 1TI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。在进行设计时，遵循
这些基本原则，也可以降低用钢量。利用现代数学
方法和计算机进一步优化结构构件及截面的几何参
数在设计时，刚架采用变截面构件，当为承载能力极
限状态控制设计时，其截面变化的根据主要是弯曲
应力与轴压应力两者计算值“组合”的应力图形的
变化。利用截面变化，使各截面“组合应力”与材料
设计强度值的比值尽可能接近，也就是使材料分布
更接近于应力图形的分布，这就是满应力设计法。
在确定了结构布置及构件的选型后，在保证安全可
靠的前提下，满应力设计法是使刚架设计经济合理
的主要手段。同时，在刚架计算过程中应充分利用
板件的屈曲后强度，从而在满足规范构造要求的前
提下，减小梁、柱构件腹板的厚度。在结构设计中实
现兼并功能原则可将承重、围护、稳定等多种功能统
一于一体，合并结构部件及层次，简化结构构造，最
大程度地进行结构和构件的规格化、统一化、标准
化，以提高轻钢结构工业化生产水平，加速从标准化
构件生产向标准化房屋生产的过渡。
1O 结语
在轻钢结构厂房设计过程中，用钢量的控制非
常的重要。通过以上的叙述，可以得出以下几点结
论：
(1)在满足工艺专业及甲方对厂房的布置要求的
前提下，一般轻钢厂房的柱距在7．5 m左右会得到
比较好的经济效果。
(2)在满足工艺专业布局，甲方及场地现状的要
求下，一般轻钢结构厂房的经济跨度在l8—36 m，吊
车吨位较大时，经济跨度在24～36 m，无吊车或吊
车吨位较小时，经济跨度在l 8—24 nl。
(3)在满足厂房正常使用的前提下，尽可能的降
低轻钢厂房的檐口高度。
(4)在厂房刚架设计时，将各种荷载以及各自的
折减系数考虑周全。
(5)檩条可采用连续卷边z型檩条来代替传统简
支C型檩条。
(6)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。
(7)在满足工艺布置的前提下，尽量减少变形缝
的设置。
(8)在可能的条件下，尽量采用铰接平板柱脚。
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] GB 500018—2002．冷弯薄壁型钢结构技术规范[s]．
[3] GB 50017—2003．钢结构技术规范[s]．
[4] 陈绍蕃．钢结构设计原理[M]．北京：科学出版社，
1998．
[5] 柳锋，郭兵，陈长兵，等．门式刚架的经济尺寸与
优化初设计[M]．
收稿日期：2011
(上接第121页)
程中，必须定期对皮囊进行气密性检查，定期更换皮
囊及密封组件。一旦发现皮囊中的充气压力低于规
定的充气压力时，要及时充(补)气，以使蓄能器长
期处在最佳工作状态。另外，压力油的工作温度对
皮囊的使用寿命也有相当大的影响，工作油温过高
或过低，都会缩短皮囊的使用寿命。因此，系统的工
作温度必须控制在合理的范围内。如果蓄能器长期
停止使用，则应关闭蓄能器与系统之间的截止阀，以
保持蓄能器内的充气压力。检修蓄能器时，应完全
卸压，放尽有压氮气、放空有压压力油后才可拆卸、
修配。
6 结语
液压蓄能器是液压系统中一个非常重要的辅助
元件，合理地选用液压蓄能器对液压系统运行的稳
定性、经济性、安全可靠性都有相当大的重要意义。
参考文献：
[1] 雷天觉．新液压工程手册[M]．北京：北京理工大学出
版社，1998．
收稿日期：2011-03．19
作者简介：赵海峰(1984．)，男，2006年毕业于内蒙古科技大学机械
设计及自动化专业，液压工程师。从事液压润滑设备管理工作。
褊嬲 Tel 093 1Z 8~15-186 ．．

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