钢结构用钢量与跨度、柱距、檐口高度的比例关系
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发布时间：2022-04-22 05:45
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时间：2023-09-27 21:37
1 工程实例概况
该工程为某汽车公司冲压厂房改造项目，业主要求在旧厂房外围扩建，且旧厂房内的生产操作设备均不能移动，只能在旧厂房围护拆除后建造新厂房时，才暂时中断生产，新厂房建成后立即恢复生产。建筑设计看上去就象是新厂房覆盖旧厂房并向外扩大范围。改造后的冲压厂房跨度确定为48m，屋檐标高度确定为8.7m，厂房内不设吊车，围护结构采用压型钢板,保温材料采用岩棉，建筑剖面见图1。
根据业主上述要求，结构形式采用单跨双坡轻型门式刚架。
图1 建筑剖面图
2 大跨度门式刚架结构的计算模型
2.1 计算模型简图
本工程采用同济大学编制的3D3S V9.0版钢结构软件计算，计算简图见图2.1。
2.1.1 刚架柱与基础连接形式
在无吊车情况下，宜采用铰接，若采用刚接，虽然有利于减少跨中 挠度，但钢柱截面为等截面，柱脚为刚性节点，总用钢量将加大。而且桩
图2.1 计算简图 基础承台承受的弯矩很大，尤其是在大跨度门式刚架情况下，承受大弯矩的承台，不仅其截面、上下配筋量要加大，而且基桩要按抗拔桩计算其承载力，考虑基桩与承台的抗拉连接构造需要加强等，这将增加基础工程费用。因此，本工程柱与基础采用铰接连接形式，以便减少刚架总用钢量和基础费用。
2.1.2 门式刚架斜梁分段比
主要考虑斜梁的弯矩包络图，其次考虑方便运输、吊装的单元最大长度。从弯矩包络图上选择拐弯点及其附近作为斜梁拼接点，可明显减少连接端板用钢量和高强螺栓数量。本工程分为两段，分段比约为8:16。
2.1.3 门式刚架斜梁平面内外计算长度
取斜梁隅撑间距，一般沿斜梁方向每两道檩条设置一道隅撑，檩距最大不超过1.5m，因此斜梁平面外计算长度可取为3.0m。斜梁平面内计算长度由计算软件根据《规程》的规定自动计算。
2.1.4 刚架柱平面内外计算长度
虽然《规程》规定：当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支撑。但本工程门式刚架跨度大，超出了《规程》建议适宜的最大跨度较多，而跨度越大，柱轴压力也越大，从而对柱平面外的稳定性影响也越大。因此，本工程柱平面外计算长度取柱侧向的刚性系杆（用圆钢管）之间距，最大为5.0m。这也是超规程大跨度门式刚架有别于一般跨度门式刚架的重要设计要点。柱平面内计算长度由计算软件根据《规程》的规定自动计算。
2.1.5 其他 屋面坡度取1:15。气楼对整个门式刚架刚度贡献很小，可将其简化为重力荷载施加于斜梁上。
2.2 设计参数
2.2.1 钢材材质
采用高强钢材能节省用钢量，而在大跨度尤其是超规程大跨度条件下应采用高强钢材。因此，在本工程中钢材采用Q345B钢。
2.2.2 荷载
（1）永久荷载 除刚架自重由3D3S软件计算外，其余重力荷载包括屋面板、檩条、支撑、悬挂灯具等，可取0.18～0.22kN/m2，对于超规程大跨度，为了安全起见，在本工程中采用0.30kN/m2。
（2）可变荷载 本工程无吊车荷载、屋面雪荷载、积灰荷载。屋面活荷载在计算刚架时采用0.30kN/m2，在计算檩条、屋面板时采用0.50 kN/m2。风荷载基本风压按50年一遇的风压乘以1.05采用，即0.63kN/m2。地震作用按抗震设防烈度7度考虑。
3 大跨度门式刚架不同柱距时的轻型钢结构体系总用钢量对比
为寻求经济的柱距，本文考虑几个不同的柱距，采用同济大学编制的3D3S钢结构软件进行设计，得到不同柱距条件下的总用钢量图表。设计时对构件应满足的条件规定如下：
（1）各构件最危险截面考虑其强度应力比、平面内外应力比均≤1.0。
（2）各构件的变形限值：对门式刚架斜梁，其挠度与跨度之比限值为≤L/180（L为斜梁跨度），对刚架柱顶位移的限值为≤h/100（h为刚架柱高度）。
（3）各构件长细比限值为≤180。
3.1 不同柱距时的刚架含钢量
刚架构件含钢量由软件自动计算。考虑节点的含钢量，根据任意一个具体刚架的节点详细设计结果，可将刚架构件含钢量乘以1.03的增大系数，刚架含钢量见表3.1。
表3.1 刚架含钢量
纵向柱间距（m）
杆件序号
截面型号
刚架含钢量（kg）
6
①
H(700～1300)x250x8x12
5799.2
②
H700x210x6x10
③
H(500～1300)x250x8x12
7
①
H(750～1350)x270x8x12
6192.2
②
H750x230x6x10
③
H(500～1350)x270x8x12
8
①
H(800～1450)x290x8x12
6559.1
②
H800x240x6x10
③
H(500～1400)x290x8x12
9
①
H(850～1550)x300x8x12
6860.7
②
H850x250x6x10
③
H(500～1450)x300x8x12
10
①
H(850～1550)x300x8x14
7432.4
②
H850x250x6x12
③
H(500～1450)x300x8x14
以6m柱距为例，刚架计算结果图见图3.1。
计算结果图说明：
柱左：从下往上分别为：强度验算应力比（应
力/设计强度，以下同），绕弱轴整体
稳定应力比，绕强轴整体稳定应力比。
柱右：从下往上分别为：绕弱轴长细比，绕
图3.1 刚架计算结果图 强轴长细比。
梁上：从左往右分别为：强度验算应力比（应力/设计强度，以下同），绕弱轴整体稳定应力比，绕强轴整体稳定应力比。
梁下：从左往右分别为：绕弱轴长细比，绕强轴长细比。
3.2 不同柱距时的檩条、墙梁含钢量
为了便于对比分析，设计檩条、墙梁时统一取檩条水平间距、墙梁竖向间距为1.2m，按简支檩条、墙梁计算，檩条、墙梁含钢量见表3.2。
表3.2 檩条、墙梁含钢量
纵向柱间距(m)
檩条、墙梁规格
单位重量(kg/m)
檩条数量(条)
墙梁数量（条）
檩条含钢量(kg)
墙梁含钢量(kg)
6
C160x60x20x2.2
5.21
40
16
1250.4
500.2
7
C200x70x20x2.2
6.25
40
16
1750.0
700.0
8
C250x75x20x2.2
7.27
40
16
2326.4
930.6
9
C280x80x20x2.5
8.76
40
16
3153.6
1261.4
10
C300x80x20x3.0
10.92
40
16
4368.0
1747.2
3.3 不同柱距时的支撑含钢量
支撑体系包括柱间支撑、屋盖横向支撑，在设置柱间支撑的开间，同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。对无吊车厂房，可用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，圆钢可统一用Φ20，每道支撑共布置24条，另用圆钢管作为刚性系杆，要求其长细比不大于200。支撑间距宜取30～45m，为了便于对比分析，支撑布置时每5个柱距设置一道支撑。这样，折算成每一榀刚架的支撑含钢量时，可用每道支撑的含钢量除以5得到，支撑含钢量见表3.3。
表3.3 支撑含钢量
纵向柱间距(m)
刚性系杆
规格
单位重量(kg/m)
数量(条)
刚性系杆
含钢量
(kg)
圆钢风拉杆
含钢量
(kg)
每道支撑
含钢量
(kg)
每榀刚架支撑含钢量 (kg)
6
Φ89x2.5
5.33
12
383.8
501.0
884.8
177.0
7
Φ102x3.0
7.32
12
614.9
544.3
1159.2
231.8
8
Φ121x3.0
8.73
12
838.1
590.4
1428.5
285.7
9
Φ133x3.0
9.62
12
1039.0
638.6
1677.6
335.5
10
Φ152x3.0
11.02
12
1322.4
688.5
2010.9
402.2
3.4 不同柱距时的总用钢量对比
根据以上不同柱距时的刚架、檩条、墙梁及支撑的含钢量，可计算得到不同柱距时的结构体系总用钢量图表，分别见表3.4和图3.4。
表3.4 结构体系总用钢量
纵向柱间距(m）
6
7
8
9
10
结构体系总用钢量(kg/m2)
26.83
26.41
26.31
26.88
29.06
从上述图表可以看出：
（1）对门式刚架轻型钢结构体系而言，刚架用钢量是最主要的，当柱距较小时，刚架用刚量占总用钢量的70%以上，而其它各单项用钢量如墙梁、檩条、柱间支撑、屋面支撑等只占较小比例的一部分，因此，如何设计好门式刚架对降低总用钢量具有重要意义。
（2）随着柱距的增大，作为整个厂房结构“用钢量大户”的刚架，其用钢量比率是逐渐下降的，并且随柱距的增加，下降的幅度逐渐趋于平缓。
（3）其它各项的用钢量均柱距的增加而增加，其中檩条用钢量增加较快。
（4）整个单层厂房上部结构，其总用钢量随柱距的增加先是逐渐减少，而后增加，且增加较快。这表明，就用钢量指标而言，确实存在一个最优柱距，不难看出，本工程中最优柱距为8m。
当然，由于不同设计人员在设计同一结构时，各设计方案可能在结构体系、围护布置等选择上有所差别，从而各用钢量指标不尽相同，但其用钢量变化趋势及上述结论是一致的。因此对于类似于本工程的超规程大跨度门式刚架轻型钢结构体系而言，可选择最优柱距为8m。
4 结语
本文根据工程实例情况，对超规程大跨度门式刚架轻型钢结构体系的适用性及其每平米用钢量与柱距的关系作了一些讨论，表明超规程大跨度对实腹式构件组成的门式刚架仍然是适用的，而且，就用钢量指标而言，其经济柱距为7～8m。另外，本工程没有给出有吊车的情况，因为通常吊车跨度在10.5m～31.5m之间，本工程大跨度超出了吊车梁跨度范围。若业主要求设置吊车，则需增设刚架中间柱，此种情况其经济柱距应另当别论。
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时间：2023-09-27 21:37
102：98和第二版本CECS
102：2002的编制出版后（以下简称《规程》）。门式刚架轻型房屋钢结构因其跨度大、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、工业化程度高、综合经济效益好、柱网布置比较灵活不受摸数*、外形美观等一系列优点而得到迅速发展，在轻工业厂房、仓库、体育馆、展览厅、交易市场、活动房屋及加层建筑等各类建筑结构中得到广泛应用。但在实际使用中，由于工艺要求门式刚架跨度有时需要超过《规程》中建议的适宜最大跨度36m较多，而超规程大跨度对实腹式构件组成的门式刚架是否仍然适用，以及其经济柱距的研究较少见。为此，本文从工程实例着手，对其作一些探讨分析，以期用此类门式刚架工程设计的经验提供给同行们参考。
1
工程实例概况
该工程为某汽车公司冲压厂房改造项目，业主要求在旧厂房外围扩建，且旧厂房内的生产操作设备均不能移动，只能在旧厂房围护拆除后建造新厂房时，才暂时中断生产，新厂房建成后立即恢复生产。建筑设计看上去就象是新厂房覆盖旧厂房并向外扩大范围。改造后的冲压厂房跨度确定为48m，屋檐标高度确定为8.7m，厂房内不设吊车，围护结构采用压型钢板,保温材料采用岩棉，建筑剖面见图1。
根据业主上述要求，结构形式采用单跨双坡轻型门式刚架。
图1
建筑剖面图
2
大跨度门式刚架结构的计算模型
2.1
计算模型简图
本工程采用同济大学编制的3D3S
V9.0版钢结构软件计算，计算简图见图2.1。
2.1.1
刚架柱与基础连接形式
在无吊车情况下，宜采用铰接，若采用刚接，虽然有利于减少跨中
挠度，但钢柱截面为等截面，柱脚为刚性节点，总用钢量将加大。而且桩
图2.1
计算简图
基础承台承受的弯矩很大，尤其是在大跨度门式刚架情况下，承受大弯矩的承台，不仅其截面、上下配筋量要加大，而且基桩要按抗拔桩计算其承载力，考虑基桩与承台的抗拉连接构造需要加强等，这将增加基础工程费用。因此，本工程柱与基础采用铰接连接形式，以便减少刚架总用钢量和基础费用。
2.1.2
门式刚架斜梁分段比
主要考虑斜梁的弯矩包络图，其次考虑方便运输、吊装的单元最大长度。从弯矩包络图上选择拐弯点及其附近作为斜梁拼接点，可明显减少连接端板用钢量和高强螺栓数量。本工程分为两段，分段比约为8:16。
2.1.3
门式刚架斜梁平面内外计算长度
取斜梁隅撑间距，一般沿斜梁方向每两道檩条设置一道隅撑，檩距最大不超过1.5m，因此斜梁平面外计算长度可取为3.0m。斜梁平面内计算长度由计算软件根据《规程》的规定自动计算。
2.1.4
刚架柱平面内外计算长度
虽然《规程》规定：当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支撑。但本工程门式刚架跨度大，超出了《规程》建议适宜的最大跨度较多，而跨度越大，柱轴压力也越大，从而对柱平面外的稳定性影响也越大。因此，本工程柱平面外计算长度取柱侧向的刚性系杆（用圆钢管）之间距，最大为5.0m。这也是超规程大跨度门式刚架有别于一般跨度门式刚架的重要设计要点。柱平面内计算长度由计算软件根据《规程》的规定自动计算。
2.1.5
其他
屋面坡度取1:15。气楼对整个门式刚架刚度贡献很小，可将其简化为重力荷载施加于斜梁上。
2.2
设计参数
2.2.1
钢材材质
采用高强钢材能节省用钢量，而在大跨度尤其是超规程大跨度条件下应采用高强钢材。因此，在本工程中钢材采用Q345B钢。
2.2.2
荷载
（1）永久荷载
除刚架自重由3D3S软件计算外，其余重力荷载包括屋面板、檩条、支撑、悬挂灯具等，可取0.18～0.22kN/m2，对于超规程大跨度，为了安全起见，在本工程中采用0.30kN/m2。
（2）可变荷载
本工程无吊车荷载、屋面雪荷载、积灰荷载。屋面活荷载在计算刚架时采用0.30kN/m2，在计算檩条、屋面板时采用0.50
kN/m2
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时间：2023-09-27 21:37
柱子越高用钢量越大,一般无行车的为6米左右,有行车的也在12米以下
柱间距6米比较经济,间距加大,梁和檩条同样要加大,用钢量也增加
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时间：2023-09-27 21:39
