门式刚架优化设计

浅谈门式刚架的优化设计

【摘要】：门式刚架轻钢结构的广泛应用对钢结构设计人员做好优化设计不断提出新的要求，促使钢结构设计做到既经济安全，又便于施工。另一方面，安全经济的优化设计对钢结构的进一步发展和应用起到了很大的促进作用。文章对门式刚架轻刚结构设计中有关优化方面的事项，从选择材质、选择截面、综合优化等角度作一简要总结，希望对相关人员提供借鉴。

【关键词】：门式刚架；轻钢结构；优化设计；材质选择

一、概述

虽然钢结构建筑在我国起步较晚，但改革开放以来，我国已建成了大量的轻钢结构建筑，成长了一大批钢结构建设企业和设计人员。钢结构因其自重轻、施工周期短、抗震能力强、可回收等优势和特点被人们广泛应用，诸如车间、库房、展厅、接层等都普遍采用了门式刚架轻型钢结构，因此也应运而生了许多钢结构设计软件，设计人员利用电算软件可以方便快捷地做出各种钢结构设计。然而，对于相同的工程使用同一款软件，不同的设计人员会得出各自的结果，究其原因，主要与设计人员基本知识的掌握、见识的多寡、工作实践经验的积累、对钢结构工程的理解认识等有着密切的关系。钢结构设计的结果决定一项工程的含钢量，同时也决定了这项工程的造价，所以设计人员做出的设计结果至关重要，他不仅要符合设计规范，保证结构的安全，也要求在允许的范围内做好恰当的优化，把“好钢用在刀刃上”，将含钢量降到合理的程度，做到

经济合理，安全适用，确保质量，因此优化设计就成为钢结构设计中的一项重要内容。文章就作者多年来应用中国建科院pkpm—sts 软件的设计经验，把优化设计门式刚架轻型钢结构方面的一些体会总结出来，与大家共同交流、探讨。

二、优化设计..

(一)选择材质

门式刚架轻型钢结构经常使用的材料为现行国家标准《碳素结构钢}(gb/t700)中规定的q235b钢和《低合金高强度结构钢》

(gb/t1591)中规定的q345b钢。两种钢材的强度设计值是不同的，q345b钢的强度要高于q235b钢。具体到每个工程应选择哪种材料合适，这关系到以下几个方面：

1．视钢材市场的情况而定，首先了解市场上有什么材质的钢材，设计人员应选择容易采购到的材料。因为在某一阶段市场上销售的钢材并非品种、规格都齐全，如果选用的材料在周边市场不好采购，而需要到较远的地区进货，则会增加材料费用，加大工程成本，造成不必要的经济支出。

2．q345b钢的强度要高于q235b钢，因此用q345b钢设计的结构含钢量要低于q235b钢设计的结构含钢量，但q345b钢的价格每吨要高于q235b钢200元到300元。比较两种钢材的市场价格，比较含钢量，综合分析核算，选用材料总价格低的钢材。

3．《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(cecs102：2002)6.1.1中规定：工字型截面构件受压翼缘自由外伸宽度b与其厚度t之比

小于15，即q235b钢受压翼缘的宽厚比为15=15；q345b钢受压翼缘的宽厚比为15=12.38，q345b钢受压翼缘的宽厚比小于q235b钢，同样，工字型截面的q345b钢腹板的高厚比也小于q235b钢，若采用相同宽厚的材料做翼缘板，在两种材料都能满足强度要求的基础上，有可能出现q235b钢的宽厚比可以满足，而q345b钢的宽厚比不能满足的情况；腹板的高厚比也是如此。因此设计时构件材质的选用，还应视工程结构的具体情况而定。一般对于高大型的结构，宜采用q345b钢，可以充分发挥材料强度高、结构轻的优势，总体造价将会低于q235b钢；对于结构造型低、构件断面小的工程，建议采用q235b钢，以充分利用其宽厚比、高厚比较大的特点，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。

(二)选择截面

门式刚架轻钢结构的构件多采用h型钢断面，h型钢又分热轧国标h型钢和钢板组焊h型钢。根据跨度、高度和荷载不同，门式刚架的梁、柱可采用等截面或变截面h型钢。设计人员在选择构件截面时，应考虑以下几项条件：

1．一般的厂房、超市等结构的门式刚架柱可采用变截面h型钢，即通过改变腹板的高度将柱子做成上大下小的楔型，以满足适应门式刚架柱肩弯距大的受力特性，达到节省材料的目的。若厂房内设有桥式吊车时，要采用等截面h型钢柱，柱脚要设成刚性连接，《门规》的这项要求是针对小于20吨吊车的。对于设有超过20吨吊车的钢结构厂房，sts软件允许将门式刚架柱按普通钢结构设计，刚

架梁按《门规》设计。

2．当门式刚架采用等截面h型钢柱时，h型钢的翼缘要具备一定的宽度，以满足刚架在平面外的稳定和长细比要求，因此，热轧国标窄翼缘h型钢是不适合做钢柱构件的，其翼缘太窄，通常不能满足钢柱在平面外的稳定应力和长细比要求。这是作者多年来做轻钢结构设计的一点经验。

3．构件是选用热轧国标h型钢或是钢板组焊h型钢，也要综合平衡。热轧h型钢成型美观，质量均匀有保证，后续加工省时省力，对加工工艺及设备要求都比较简单，但价格较高，且由于目前此类型钢规格的局限，有时在选材上会造成较大浪费。而使用钢板组焊h型钢，则可根据计算应力适当选材，降低刚架含钢量，但制作时有可能会产生材料损耗大的问题。因此两项要做全面比较，优化选择，使建筑结构、施工要求等方面都更为科学合理。

4．h型钢截面受弯构件中，翼缘以抗弯为主，腹板以受剪为主，适当增大腹板的高度，可使翼缘的抗弯能力发挥更为充分，因此通常将门式刚架粱做成变截面，在弯矩较大的梁柱连接点处加大腹板的高度，以适应弯矩的变化，达到节约材料的目的。但变截面h型钢构件在构造连接及加工制造方面均不如等截面构件方便，故当房屋跨度较大时才设计成变截面。根据本人验算比较，双坡屋面的跨度在l8米及以上时考虑采用变截面钢梁较为合适。

(三)综合优化

确定了门式刚架的材质、截面型式以后，即可根据sts软件显

示的计算结果信息，综合调整梁、柱的截面尺寸，进行整体优化。

sts计算钢结构应力比图说明：

柱左：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；

右上：平面内稳定应力比(对应长细比)；

右下：平面外稳定应力比(对应长细比)；

梁上：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；

左下：平面内稳定应力比；

右下：平面外稳定应力比。

1．针对梁、柱构件的强度抗弯承载力，应调整杆件的整个截面尺寸，即同时调整梁、柱腹板和翼缘的尺寸，以达到应力比值合适。

2．针对梁、柱平面内的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱腹板的尺寸，辅助调整翼缘板的规格，以达到合适的应力比及长细比。

3．针对梁、柱平面外的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱翼缘板的尺寸，辅助调整腹板的高、厚，以达到合适的应力比及长细比。

总之，在进行门式刚架的综合优化时，不论上述哪一项内容都不能孤立调整，而应当全面考虑，单独改变某一个数据都会对其他数据带来或多或少的影响，改变截面平面内的数据会对平面外的数据产生影响；改变钢柱的数据会对钢梁产生影响等；反之亦然。因此优化时要配合所有数据的协调变化，以使计算结果最优。

三、结语