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沈阳建筑大学土木工程学院 辽宁沈阳 110168
摘要：门式刚架轻型钢结构被广泛应用于无重型起吊设备的单层厂房中，其用钢量与结构形式、荷栽大小、建筑尺寸、抗震等级等条件有关，其中以柱距影响为甚。
关键词：轻钢结构；最优柱距；用钢量；门式刚架；
1引言
门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱，以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱，以彩钢板作为屋面板及墙板，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构，再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系，即门式刚架轻型结构体系。门式剛架轻型钢结构体系在国外的应用极为广泛。在我国，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的引进与发展，轻型门式刚架结构体系引起了普遍的重视，应用越来越广泛，逐渐成为许多工业和民用建筑的首选结构体系。
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范。大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。[1]因此为了使门式刚架轻型钢结构能够真正地实现设计标准化、定型化、专门化，只有从研究经济合理的柱距，确定合理的柱距模数入手。
2工程概况
本文以某实际工程为例，在保证承载力与正常使用的前提下，采用PKPM软件设计计算一定跨度和荷载条件下柱距范围为6.0m-21.0m，模数为1.5m，共11种柱距下的主结构、吊车梁以及次结构三者用钢量对门式刚架钢结构工业厂房经济合理柱距进行研究。
该工业厂房为沈阳某2跨单层车间，长105m，宽36m，跨度为18m，檐口标高12m，轨顶标高9m，屋面建筑标高13.5m。
2.1结构参数
2.1.1荷载条件
恒载：O.3KN/m2；活载：计算主钢架时O.3KN/m2，计算屋面檩条时O.5KN/m2；风荷载以0.35KN/m2为基本风压值，近似取高度变化系数为1.0；雪荷载为0.30KN/m2，考虑屋面坡度1：15，α<15°取屋面积雪分布系数为1.0；地震作用：设防烈度7度（0.1g），IV类场地，第二组。
2.1.2主钢架
钢材：Q345B；跨度为16.5m，吊车：每跨2台10T，A5工作制吊车：各开间柱距相等。计算中对于不同柱距下的单榀刚架应尽量满足相同位置的梁柱应力比、最大挠度相近的原则。
2.1.3吊车及吊车梁
吊车采用大连重工起重集团生产的DQQD型10T吊钩桥式起重机。吊车跨度19.5m，最大轮压123kN，小车重3.424t。吊车梁简支支承，由于吊车吨位较小，跨度较大时刚度起控制作用，故吊车梁钢材全部采用Q235B；轨道采用140mm钢轨（43kg/m）。吊车梁实腹式等截面，无制动结构。
2.1.4墙梁檩条等围护结构
本文下采用C型简支檩条，墙梁均采用简支C型冷弯薄壁型钢。考虑拉条、隅撑、檩托等重量，对于简支檩条、墙梁，用钢量放大5%：对于连续檩条，需在支座两边一定范围搭接以满足连续条件。本文根据工程经验，并参照《轻型钢结构设计指南（实例与图集）》内容：端跨相邻的中间跨按15%L，其余5%L进行计算。用钢量为某一构件总用钢量（kg）与总建筑面积（m2）之比，单位为kg/m2。
3计算结果与分析
3.1主结构用钢量
主结构主要包括刚架梁、柱以及连接节点等，耗材最多，直接影响整个结构的经济性。为客观比较不同柱距下的主钢架用钢量，控制主要应力比在O.8—0.95之间，结果如图1所示。
计算结果分析：
a）由于刚架数量减少，单榀刚架用钢量小于刚架数量减小对用钢量的影响，主结构用钢量随着柱距增加而降低；
b）由于单榀刚架恒活载随柱距的增加而非线性的增大，其对用钢量的影响逐渐增大，用钢量下降幅度趋于平缓。
3.2吊车梁用钢量
吊车梁用钢量见图2。
图1 主结构用钢量
图2 吊车梁用钢量
结果分析：
a）吊车梁用钢量随着柱距的增大线性增加，并逐渐与主结构用钢量相接近；
b）由于挠度与跨度的四次方成正比，翼缘正应力与跨度的二次方成正比，随着吊车梁跨度的增加，挠度在跨度较大的吊车梁设计中起重要作用。
3.3檩条和墙梁用钢量
控制主要应力比在0.8～0.95之间。结果如图3所示。
图3 墙梁和檩条用钢量表
结果分析：
a）墙梁和檩条的用钢量随着柱距的增大，恒活荷载的增大，用钢量也随之增大；
b）构件的最大弯矩应与其跨度的平方成正比，但曲线接近直线，且有一定起伏。因檩条用钢量在9.0m柱距出现拐点。
3.4总用钢量
总用钢量结果如图4所示。
图4 总用钢量
结果分析：
a）随着柱距的增加主结构与次结构的变化趋势相反，结构存在最优柱距。
b）由于主结构和次结构的钢材型号与单价不同，总钢量与柱距关系曲线的最低点为用钢量最省的柱距，但不是最优柱距。
4结语
基于以上分析过程，求得本工程最优柱距的范围为6m～10.5m左右。本文所给出的最优柱距范围仅针对本工程的实际情况讨论门式刚架轻型钢结构体系柱距与每平米用钢量的关系。实际工程中，影响最优柱距及结构用钢量的因素众多，一个参数的改变或将引起总用钢量极值点的移动。在设计中应综合考虑其他因素，得到有实际工程意义的最优柱距。
参考文献：
[1]王元清，于春光.门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究.工业建筑，1999，29（6）：49-51.
[2]吴剑国，龚铭，孙苏询等.门式刚架轻型房屋钢结构离散变量优化设计.建筑结构，2001，31（8）：54-55.
[3]柳锋，郭兵，陈长兵等.门式刚架的经济尺寸与优化初设计.钢结构，2003，18（1）：32-34.
摘要：门式刚架轻型钢结构被广泛应用于无重型起吊设备的单层厂房中，其用钢量与结构形式、荷栽大小、建筑尺寸、抗震等级等条件有关，其中以柱距影响为甚。
关键词：轻钢结构；最优柱距；用钢量；门式刚架；
1引言
门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱，以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱，以彩钢板作为屋面板及墙板，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构，再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系，即门式刚架轻型结构体系。门式剛架轻型钢结构体系在国外的应用极为广泛。在我国，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的引进与发展，轻型门式刚架结构体系引起了普遍的重视，应用越来越广泛，逐渐成为许多工业和民用建筑的首选结构体系。
门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。特别是近十多年来，随着我国经济建设的迅速发展，由于生产的需要，这类结构以其用钢量低，重量轻，造价低，适用范围广等优点而获得广泛的应用。但是，由于我国目前还没有相应的轻钢设计规范。大部分设计仍沿用现行的普通钢结构设计规范来进行门式刚架轻钢结构的设计和计算，使得设计用钢量指标高攀不下，或在没有充分理论依据的情况下，凭经验一味地追求低用钢量而造成事故。[1]因此为了使门式刚架轻型钢结构能够真正地实现设计标准化、定型化、专门化，只有从研究经济合理的柱距，确定合理的柱距模数入手。
2工程概况
本文以某实际工程为例，在保证承载力与正常使用的前提下，采用PKPM软件设计计算一定跨度和荷载条件下柱距范围为6.0m-21.0m，模数为1.5m，共11种柱距下的主结构、吊车梁以及次结构三者用钢量对门式刚架钢结构工业厂房经济合理柱距进行研究。
该工业厂房为沈阳某2跨单层车间，长105m，宽36m，跨度为18m，檐口标高12m，轨顶标高9m，屋面建筑标高13.5m。
2.1结构参数
2.1.1荷载条件
恒载：O.3KN/m2；活载：计算主钢架时O.3KN/m2，计算屋面檩条时O.5KN/m2；风荷载以0.35KN/m2为基本风压值，近似取高度变化系数为1.0；雪荷载为0.30KN/m2，考虑屋面坡度1：15，α<15°取屋面积雪分布系数为1.0；地震作用：设防烈度7度（0.1g），IV类场地，第二组。
2.1.2主钢架
钢材：Q345B；跨度为16.5m，吊车：每跨2台10T，A5工作制吊车：各开间柱距相等。计算中对于不同柱距下的单榀刚架应尽量满足相同位置的梁柱应力比、最大挠度相近的原则。
2.1.3吊车及吊车梁
吊车采用大连重工起重集团生产的DQQD型10T吊钩桥式起重机。吊车跨度19.5m，最大轮压123kN，小车重3.424t。吊车梁简支支承，由于吊车吨位较小，跨度较大时刚度起控制作用，故吊车梁钢材全部采用Q235B；轨道采用140mm钢轨（43kg/m）。吊车梁实腹式等截面，无制动结构。
2.1.4墙梁檩条等围护结构
本文下采用C型简支檩条，墙梁均采用简支C型冷弯薄壁型钢。考虑拉条、隅撑、檩托等重量，对于简支檩条、墙梁，用钢量放大5%：对于连续檩条，需在支座两边一定范围搭接以满足连续条件。本文根据工程经验，并参照《轻型钢结构设计指南（实例与图集）》内容：端跨相邻的中间跨按15%L，其余5%L进行计算。用钢量为某一构件总用钢量（kg）与总建筑面积（m2）之比，单位为kg/m2。
3计算结果与分析
3.1主结构用钢量
主结构主要包括刚架梁、柱以及连接节点等，耗材最多，直接影响整个结构的经济性。为客观比较不同柱距下的主钢架用钢量，控制主要应力比在O.8—0.95之间，结果如图1所示。
计算结果分析：
a）由于刚架数量减少，单榀刚架用钢量小于刚架数量减小对用钢量的影响，主结构用钢量随着柱距增加而降低；
b）由于单榀刚架恒活载随柱距的增加而非线性的增大，其对用钢量的影响逐渐增大，用钢量下降幅度趋于平缓。
3.2吊车梁用钢量
吊车梁用钢量见图2。
图1 主结构用钢量
图2 吊车梁用钢量
结果分析：
a）吊车梁用钢量随着柱距的增大线性增加，并逐渐与主结构用钢量相接近；
b）由于挠度与跨度的四次方成正比，翼缘正应力与跨度的二次方成正比，随着吊车梁跨度的增加，挠度在跨度较大的吊车梁设计中起重要作用。
3.3檩条和墙梁用钢量
控制主要应力比在0.8～0.95之间。结果如图3所示。
图3 墙梁和檩条用钢量表
结果分析：
a）墙梁和檩条的用钢量随着柱距的增大，恒活荷载的增大，用钢量也随之增大；
b）构件的最大弯矩应与其跨度的平方成正比，但曲线接近直线，且有一定起伏。因檩条用钢量在9.0m柱距出现拐点。
3.4总用钢量
总用钢量结果如图4所示。
图4 总用钢量
结果分析：
a）随着柱距的增加主结构与次结构的变化趋势相反，结构存在最优柱距。
b）由于主结构和次结构的钢材型号与单价不同，总钢量与柱距关系曲线的最低点为用钢量最省的柱距，但不是最优柱距。
4结语
基于以上分析过程，求得本工程最优柱距的范围为6m～10.5m左右。本文所给出的最优柱距范围仅针对本工程的实际情况讨论门式刚架轻型钢结构体系柱距与每平米用钢量的关系。实际工程中，影响最优柱距及结构用钢量的因素众多，一个参数的改变或将引起总用钢量极值点的移动。在设计中应综合考虑其他因素，得到有实际工程意义的最优柱距。
参考文献：
[1]王元清，于春光.门式刚架轻型钢结构工业厂房最优柱距研究.工业建筑，1999，29（6）：49-51.
[2]吴剑国，龚铭，孙苏询等.门式刚架轻型房屋钢结构离散变量优化设计.建筑结构，2001，31（8）：54-55.
[3]柳锋，郭兵，陈长兵等.门式刚架的经济尺寸与优化初设计.钢结构，2003，18（1）：32-34.