基于门式刚架优化设计的探析

基于门式刚架优化设计的探析
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. GB 51022-2015 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.。