基于门式刚架优化设计的探析

雷新海

湛江南海西部石油勘察设计有限公司524000

摘要：轻型门式刚架结构具有造价低廉、安装方便、施工周期短等特点，近几年来在工业厂房的建设中得到广泛应用。在传统的门式刚架设计方法中，其截面尺寸、结构形式等选择，都遵照满足使用功能和设计规范的要求，而规范只给定范围要求，然而在规范范围内的具体取值却很大程度影响着结构的造价和成本，采用不恰当的设计会造成很大浪费或是影响结构安全。因此对门式刚架结构进行优化设计非常有实际工程意义。

关键词：门式刚架；优化设计

引言：

门式刚架是目前轻型房屋钢结构中应用最为广泛的一种钢结构形式，广泛应用于生产、仓储、物流等各行各业中。结构的优化设计是结构的综合选优，即把设计追求的目标与应满足的约束条件有机地结合起来，用优化的理论和合理的方法，在满足设计约束条件的可行区域内进行设计，以得到最优的设计方案，达到“质优、价廉”的经济指标。结构优化设计对门式刚架的应用有着十分重要的应用意义。

一、门式刚架概述

门式刚架是一种传统的结构体系，该类结构的上部主构架包括刚架斜梁、刚架柱、支撑、檩条、系杆、山墙骨架等。门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力途径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应用于工业与民用设施中。目前，国内已建成了大量轻钢结构建筑，成长了一大批钢结构建设企业和设计人员，国内也开发了许多钢结构设计软件，比如PKPM、3D3S、YJK等等均有钢结构设计模块，设计人员可以利用设计软件方便快捷地进行各种钢结构设计。然而，不同的设计人员面对同一个工程并且使用同一款软件进行设计，而得出不一样的结果。这主要与设计人员对规范、结构体系以及软件本身的理解认识，工作实践经验的积累等因素都有关。设计结果决定了工程的含钢量，基本上就确定了工程的整体造价，所以结构设计不仅要符合相关设计规范等条文的规定，保证建筑结构体系的安全，同时也应该在满足相关设计规范要求的基础上做好恰当的优化，合理的降低结构的含钢量，做到安全适用，经济合理，保障质量。因此钢结构设计中的一项重要内容就是对设计项目进行逐步优化。

二、优化设计

2.1结构选型

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

合理选择结构形式，包括合理选择柱距、跨度、屋面坡度等至关重要。首先，柱距对用结构钢量有较大的影响。经过大量工程实例调查和统计，柱距为6~9m时，总用钢量基本保持稳定；柱距小于6m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。柱距和跨度首先应满足工艺布置的要求。当工艺无特别要求时，柱距应以6～9m为宜。有吊车及较大屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近6m；无吊车及屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近9m。具体工程应通过结构计算模型的试算比较来最终确定。门式刚架跨度宜采用9～36m，当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。屋面坡度一般以5%～10%为宜，沿海多雨地区应适当增大坡度。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015颁布后，门式刚架跨度可以扩大至48m；当吊车吨位较大时，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；跨度对于用钢量同样有着较大的影响。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。

2.2选择材质

Q235B、Q345B钢是门式刚架轻型钢结构中经常使用的材料。两种钢材的强度设计值不同，Q345钢与Q235钢相比，前者的强度要高于后者。具体到某项工程应选择哪种材料合适，与以下方面有关：

（1）设计时构件材质的选用，应根据结构的具体情况而定。Q235B钢一般可用于构件截面小、结构规模小的工程，以充分利用H型钢构件腹板高厚比、翼缘宽厚比较大的特点，将构件的断面设计到更大更薄，让材料的强度发挥到最佳状态；Q345B钢可用于高、重、大型的结构，可以充分发挥Q345B钢材强度高的优势。Q345B钢材与Q235B钢材相比，前者的强度要高于后者，如果结构为强度指标控制，则同样的工程，材质为Q345B钢的结构比Q235B钢的结构较轻，但Q345B钢材的价格要比Q235B钢材的价格略高；若结构主要为构造，比如长细比指标控制，则选择Q235B更为经济。因此选用材料时要比较两种钢材的含钢量和市场价格，通过全面综合的分析核算，采用经济指标更好的钢材。

（2）从钢材市场的供货情况看，某一阶段市场上销售的钢材的规格、品种并非都齐全，如果选用的材料、规格在当地材料市场采购难，则需要到较远的地区采办，无形中会增加长途运输费用，从而加大施工成本。因此首先要尽可能的了解当地钢材市场上销售的钢材规格、材质的，设计时选择容易采购到的材料，避免选用非常规规格的型材进行设计。

2.3综合优化

根据建筑参数进行结构建模计算，国内常用的设计软件PKPM、3D3S都可以对结构进行计算分析，方便快捷的调整梁，柱的截面尺寸，进行整体优化。

（1）针对钢结构柱梁平面内、外的稳定应力比及长细比，着重对柱、梁腹板、翼缘的规格、尺寸进行调整，以使应力比和长细比、腹板高厚比、翼缘宽厚比满足相关设计规范要求。

（2）根据柱、梁构件的强度抗弯承载力比值，调整构件的整个截面尺寸，充分考虑腹板高厚比、翼缘宽厚比，防止局部失稳。

（3）注重结构计算的同时，也要重视结构的构造设计，保证结构体系的完整，充分考虑结构支撑体系的布置与设计。

结束语：

优化不是一味的强调用钢量最少，优化必须以结构安全、体系合理为前提。优化设计是一个系统工程，它综合体现了设计人员的专业设计能力、对结构体系的理解、还有对计算软件的熟练掌握程度以及钢材市场的供货、价格信息变化等诸多因素，只有将这些因素紧密结合起来进行综合的考虑，才能达到满意的效果，将截面优化做到更适宜的范围。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部.GB51022-2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范.中国建筑工业出版社，2015

[2]冯建霖.门式刚架轻钢结构优化设计研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2010.