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【摘 要】结合多年工作实践，对门式刚架轻钢结构优化设计相关事项进行了探讨，分别阐述了门式刚架轻型钢结构截面形式的选择和材质要求及综合优化要点，以期为钢结构设计人员提供参考。
【关键词】门式刚架；轻钢结构；优化设计；截面形式
1.概述
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。改革开放以来，我国已建成了大量的轻钢结构建筑，诸如车间、库房、展厅等都普遍采用了门式刚架轻型钢结构， 成长了一大批钢结构建设企业和设计人员，因此也应运而生了许多钢结构设计软件，设计人员可以利用设计软件方便快捷地做出各种钢结构设计。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，计算后会得出各自不一样的结果。究其原因，主要与设计人员对钢结构工程的理解认识，工作实践经验的积累，基本知识的掌握，见识的多寡等因素都有着密切的关系。设计人员做出的设计图纸至关重要， 因为设计结果，决定了该项工程的含钢量，也就基本上确定了这项工程的造价，所以其设计不仅要符合设计规范等条文的规定，保证建筑结构体系的安全，同时也应在满足规范要求的基础上做好恰当的优化，合理的降低含钢量，做到安全适用，经济合理，确保质量。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。现结合多年施工现场的工作经历和设计感受，把门式刚架轻型钢结构优化设计方面的一些经验和体会总结出来，与大家共同切磋、分享。
2.优化设计
2.1选择截面
首先确定构件的截面形式。门式刚架轻型钢结构多采用H型钢断面的构件，而H型钢又分为热轧国标H型钢和钢板组焊的H型钢。根据建筑功能的要求，结构的跨度、高度和荷载不同，门式刚架梁、柱的截面形式可分别选用腹板不等高的变截面H型钢或等截面H型钢。以下几项是工程设计人员在选择构件截面时必须考虑的条件：
1）腹板不等高的变截面H型钢可使用在一般的厂房、超市等结构的门式刚架柱中，即通过改变H型钢柱腹板的高度，将柱子做成下端小上端大的楔形，以满足适应门式刚架柱肩弯矩大的受力特性，达到节约钢材，降低造价的目的。若厂房内设有桥式吊车时，按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的要求，则必须设计成柱脚为刚性连接的等截面H型钢柱，这项要求是针对不大于20t吊车规定的。对于在厂房内布置了超过20t吊车的厂房结构，软件允许将门式刚架柱按普通钢结构设计，刚架梁按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程设计。
2）H型钢构件选用有两种，一种是热轧国标H型钢，另一种是钢板组焊H型钢，选用时要综合平衡。热轧国标H型钢成型美观，质量均匀有保证，一般的甲方都比较认可。而使用钢板组焊H型钢，不仅可以组成变截面构件，并且可根据计算应力选择最合适的构件截面尺寸，从而降低刚架含钢量，但从市场上购回的钢板是固定的规格尺寸，制作时又有可能会产生材料损耗大的问题。因此H型钢热轧或是组焊，两项要做全面比较，优化选择，使建筑结构，施工工艺等方面都更为科学合理。
3）当门式刚架采用等截面H型钢柱时，为满足刚架在平面外的稳定应力和长细比要求，可选择热轧中，宽翼缘的H型钢，翼缘的宽度能够满足长细比要求。但中、宽翼缘的H型钢的翼缘厚度往往较大，又不利于节约钢材，因此H型钢柱最好采用钢板组焊的H型钢。
2.2选择材质
现行国家标准GB/T700《碳素结构钢》中规定的Q235B钢和GB /T 1591《低合金高强度结构钢》中规定的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是不同的，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，与以下几个方面有关：
1）视钢材市场的供货情况而定，因为在某一阶段市场上销售的钢材的规格、品种并非都是齐全的，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，加大施工成本，造成额外的经济支出。因此首先要了解市场上销售的钢材有什么规格、材质的，供设计人员设计时选择容易采购到的材料，避免后期的材料代换。
2）由于Q345B钢与Q235B钢相比，前者的强度要高于后者，若将两者结构的含钢量做比较，前者要低于后者，即同样的工程，材质为Q345B钢的结构比Q235B钢的结构较轻，但每噸Q345B钢材的价格要比Q235B钢材的价格略高。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，优选出材料总价格低的钢材。
3）设计时构件材质的选用，还应视工程结构的具体情况而定。设计人员在选择材质时，采用Q235B钢一般可用于构件断面小、结构造型低的工程，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；采用Q345B钢可用于高、重、大型的结构，以充分发挥钢材强度高、最终结构轻的优势。这样，采用Q345B钢结构的总体造价将会低于Q235B钢的结构，可降低工程的总体造价。
2.3综合优化
设计软件会显示一个结果信息，在确定了门式刚架的截面形式和材质以后，依据计算信息对结构进行分析，综合调整梁，柱的截面尺寸，进行整体优化。
1）根据柱、梁构件的强度抗弯承载力比值，需要调整构件的整个截面尺寸，即应在调整柱、梁腹板尺寸的同时，调整翼缘的尺寸，以达到合适的应力比值。
2）针对柱、梁平面内的稳定应力比及柱、梁对应的长细比，应着重对柱、梁腹板规格、尺寸的调整，辅助调整翼缘板的尺寸，以使应力比和长细比的数值合适。
3）依据柱、梁平面外的稳定应力比及柱、梁所对应的长细比，应着重调整柱、梁翼缘板的规格、尺寸，辅助调整腹板的高、厚尺寸，以达到合适的应力比及长细比。
在进行门式刚架的综合优化时都不能单独考虑、孤立调整，而应当全面顾及各个方面的因素，优化时要配合所有数据的协调变化进行调整，以达到最优的计算结果。
3.结语
门式刚架轻钢结构的优化设计需要不断总结，可根据自己所积累的设计经验按顺序逐步进行计算结果的优化。优化设计是一个系统工程，它综合体现了设计人员的个人素质、对计算软件的熟练掌握程度以及钢材市场的供货信息变化等的因素，只有将这些因素全部有机结合起来进行综合的优化设计，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]GB 50017-2003，钢结构设计规范.
[2]CECS 102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.
【关键词】门式刚架；轻钢结构；优化设计；截面形式
1.概述
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。改革开放以来，我国已建成了大量的轻钢结构建筑，诸如车间、库房、展厅等都普遍采用了门式刚架轻型钢结构， 成长了一大批钢结构建设企业和设计人员，因此也应运而生了许多钢结构设计软件，设计人员可以利用设计软件方便快捷地做出各种钢结构设计。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，计算后会得出各自不一样的结果。究其原因，主要与设计人员对钢结构工程的理解认识，工作实践经验的积累，基本知识的掌握，见识的多寡等因素都有着密切的关系。设计人员做出的设计图纸至关重要， 因为设计结果，决定了该项工程的含钢量，也就基本上确定了这项工程的造价，所以其设计不仅要符合设计规范等条文的规定，保证建筑结构体系的安全，同时也应在满足规范要求的基础上做好恰当的优化，合理的降低含钢量，做到安全适用，经济合理，确保质量。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。现结合多年施工现场的工作经历和设计感受，把门式刚架轻型钢结构优化设计方面的一些经验和体会总结出来，与大家共同切磋、分享。
2.优化设计
2.1选择截面
首先确定构件的截面形式。门式刚架轻型钢结构多采用H型钢断面的构件，而H型钢又分为热轧国标H型钢和钢板组焊的H型钢。根据建筑功能的要求，结构的跨度、高度和荷载不同，门式刚架梁、柱的截面形式可分别选用腹板不等高的变截面H型钢或等截面H型钢。以下几项是工程设计人员在选择构件截面时必须考虑的条件：
1）腹板不等高的变截面H型钢可使用在一般的厂房、超市等结构的门式刚架柱中，即通过改变H型钢柱腹板的高度，将柱子做成下端小上端大的楔形，以满足适应门式刚架柱肩弯矩大的受力特性，达到节约钢材，降低造价的目的。若厂房内设有桥式吊车时，按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的要求，则必须设计成柱脚为刚性连接的等截面H型钢柱，这项要求是针对不大于20t吊车规定的。对于在厂房内布置了超过20t吊车的厂房结构，软件允许将门式刚架柱按普通钢结构设计，刚架梁按门式刚架轻型房屋钢结构技术规程设计。
2）H型钢构件选用有两种，一种是热轧国标H型钢，另一种是钢板组焊H型钢，选用时要综合平衡。热轧国标H型钢成型美观，质量均匀有保证，一般的甲方都比较认可。而使用钢板组焊H型钢，不仅可以组成变截面构件，并且可根据计算应力选择最合适的构件截面尺寸，从而降低刚架含钢量，但从市场上购回的钢板是固定的规格尺寸，制作时又有可能会产生材料损耗大的问题。因此H型钢热轧或是组焊，两项要做全面比较，优化选择，使建筑结构，施工工艺等方面都更为科学合理。
3）当门式刚架采用等截面H型钢柱时，为满足刚架在平面外的稳定应力和长细比要求，可选择热轧中，宽翼缘的H型钢，翼缘的宽度能够满足长细比要求。但中、宽翼缘的H型钢的翼缘厚度往往较大，又不利于节约钢材，因此H型钢柱最好采用钢板组焊的H型钢。
2.2选择材质
现行国家标准GB/T700《碳素结构钢》中规定的Q235B钢和GB /T 1591《低合金高强度结构钢》中规定的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是不同的，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，与以下几个方面有关：
1）视钢材市场的供货情况而定，因为在某一阶段市场上销售的钢材的规格、品种并非都是齐全的，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，加大施工成本，造成额外的经济支出。因此首先要了解市场上销售的钢材有什么规格、材质的，供设计人员设计时选择容易采购到的材料，避免后期的材料代换。
2）由于Q345B钢与Q235B钢相比，前者的强度要高于后者，若将两者结构的含钢量做比较，前者要低于后者，即同样的工程，材质为Q345B钢的结构比Q235B钢的结构较轻，但每噸Q345B钢材的价格要比Q235B钢材的价格略高。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，优选出材料总价格低的钢材。
3）设计时构件材质的选用，还应视工程结构的具体情况而定。设计人员在选择材质时，采用Q235B钢一般可用于构件断面小、结构造型低的工程，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；采用Q345B钢可用于高、重、大型的结构，以充分发挥钢材强度高、最终结构轻的优势。这样，采用Q345B钢结构的总体造价将会低于Q235B钢的结构，可降低工程的总体造价。
2.3综合优化
设计软件会显示一个结果信息，在确定了门式刚架的截面形式和材质以后，依据计算信息对结构进行分析，综合调整梁，柱的截面尺寸，进行整体优化。
1）根据柱、梁构件的强度抗弯承载力比值，需要调整构件的整个截面尺寸，即应在调整柱、梁腹板尺寸的同时，调整翼缘的尺寸，以达到合适的应力比值。
2）针对柱、梁平面内的稳定应力比及柱、梁对应的长细比，应着重对柱、梁腹板规格、尺寸的调整，辅助调整翼缘板的尺寸，以使应力比和长细比的数值合适。
3）依据柱、梁平面外的稳定应力比及柱、梁所对应的长细比，应着重调整柱、梁翼缘板的规格、尺寸，辅助调整腹板的高、厚尺寸，以达到合适的应力比及长细比。
在进行门式刚架的综合优化时都不能单独考虑、孤立调整，而应当全面顾及各个方面的因素，优化时要配合所有数据的协调变化进行调整，以达到最优的计算结果。
3.结语
门式刚架轻钢结构的优化设计需要不断总结，可根据自己所积累的设计经验按顺序逐步进行计算结果的优化。优化设计是一个系统工程，它综合体现了设计人员的个人素质、对计算软件的熟练掌握程度以及钢材市场的供货信息变化等的因素，只有将这些因素全部有机结合起来进行综合的优化设计，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]GB 50017-2003，钢结构设计规范.
[2]CECS 102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.