1、浅谈轻钢结构厂房优化设计【摘要】轻钢结构建筑将成为结构发展的一个重要方向，潜力巨大、前景广阔。本文就轻钢结构厂房优化设计进行了详细探讨。 【关键词】钢结构 厂房 设计 中图分类号： TU391 文献标识码： A 前言 轻钢厂房在不降低结构安全性的前提下，如何设计得更合理、更经济，是钢结构设计师，也是建设单位最关注的问题，因为它直接关系到工程的造价和施工单位的中标与否。据有关统计分析，在前期规划阶段，影响工程造价的可能性为 7595；在初步设计阶段，影响工程造价的可能性为 3575；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性为535。因此，设计质量的好坏、设计方案是否最优化，对工程造价将会产生直接影
2、响。如果能在前期决策阶段和设计阶段就事先主动参与，进行优化设计，特别是设计阶段的主体结构方案优化，则可能会产生较大的经济效益，从而使工程项目既安全可靠，又经济实用，当然这需要工程各方特别是建设单位的大力支持和设计施工各方的协助、配合。 一、轻钢结构的特点及适用范围 1、结构特点 轻钢结构与普通( 传统) 钢结构相比, 除具有普通钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便外, 还有以下特点: ( 1) 用钢更省, 主框架钢材可省 40% 50%。 ( 2) 轻钢结构的设计制作和安装已形成工业产品化、系列化、标准化的运行模式, 效率更高, 质量也更有保证
3、。 ( 3) 设计程序化, 生产联网自动化。现在有许多比较成熟的轻钢结构设计程序, 如同济大学研制出的 3D3S 程序、中冶集团建筑研究总院开发的 PS2000 及阿依艾公司的 SSDD 等。 2、适用范围 轻钢门式刚架通常用于跨度 9 36 m, 柱距 6 m( 7. 5 m 或 9 m) , 柱高 4. 5 12 m、设有吊车起重量较小的单层工业厂房或公共建筑( 超市、娱乐体育设施、车站候车室、码头建筑) 二、轻钢结构厂房优化设计要点 1、合理选择柱网尺寸 在门式刚架的设计中, 从综合经济分析的角度, 合理的柱网布置对整个结构的优化设计至关重要。门式刚架房屋由多榀刚架组成, 形式通常为“门
4、”字形, 端部设抗风柱, 各榀刚架间通过支撑和系杆连成整体。这种结构竖向荷载由刚架梁传至刚架柱, 横向作用由各榀刚架承担, 纵向作用则由柱间支撑承担。刚架的跨度和柱间距是影响结构用钢量的主要因素, 另外, 结构高度、材料强度、荷载大小、有无吊车、单跨多跨等都对结构用钢量变化有明显的综合影响。根据设计经验, 在确定柱网尺寸时可综合考虑下列因素影响: （1) 不论是否设有吊车 , 门式刚架的跨度宜为 12. 0 m 36. 0 m, 较经济的跨度建议在 18. 0 m 24. 0 m 范围内采用 , 其合理的最大跨度不宜大于 36. 0 m。 （2) 不论是否有吊车 , 门式刚架的合理柱距宜为 6
5、. 0 m 9. 0 m, 建议采用 7. 5 m 左右的较大柱距 , 对无吊车刚架采用较大柱距经济性更为明显。 （3) 门式刚架的跨度及荷载较大, 或设有吊车时, 建议刚架及吊车梁宜采用强度较高的 Q345 钢。 （4) 门式刚架结构的柱距直接影响次结构构件( 包括吊车梁)的经济性, 次结构构件的用钢量有时可达总钢量的 50 %, 并起到重要的调节平衡作用, 故应当重视而且合理做好次结构构件的设计工作。 （5) 屋盖荷载增加( 跨度敏感) 或柱高增加 ( 风荷载敏感) 均会引起用钢量较明显的增加, 设计时应注意正确的计算荷载取值。 2、节点设计 单层刚架厂房, 柱子与基础连接处往往设计成铰接
6、, 柱子与横梁处为刚接, 但由于种种原因, 计算假定可能与实际情况不符, 譬如吊车厂房的上柱与屋面梁的连接, 或多层刚架厂房上柱与屋面梁的连接处, 与梁端截面相比较, 上柱截面高度往往较小 , 柱顶节点往往如图 1 形式。尽管采用高强螺栓按固接计算进行连接节点设计, 看似固接, 但由于梁端截面远远大于柱顶截面高, 二者刚度比相差很大, 柱子刚度小, 对梁起不了或不能很好产生嵌固作用, 就形不成理想刚性, 使这个节点近似于固接与铰接之间的状态, 产生的结果将是梁的挠度增大, 跨中实际弯矩值增加, 对正常使用状态与承载能力极限状态均是不利的, 严重时甚至影响刚架的几何不可变性。看似是节点处理问题,
7、 实质是对刚架整体受力状态的把握有偏差。柱顶处梁端的嵌固必须以柱子本身刚度来保证。譬如, 图 1 节点梁、柱和翼缘的厚、宽均相同。腹板等厚 , 梁截面高600 mm, 柱截面高 400 mm, 其刚度比为 31375B1, 刚度小几倍的柱顶肯定无法对刚度大的梁端形成有效嵌固。 图 1 不同刚度梁柱端部示意 3、作用效应计算 变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。等截面门式刚架允许采用塑性分析方法, 并按现行国家标准的规定进行设计。轻钢结构允许采用塑性设计, 但仅适用于不直接承受动力荷载的固定梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和二层框架结构。采用塑性设计的结构或构件, 按承载能力极限状态
8、设计时, 应采用荷载设计值,考虑构件截面内塑性的发展及由此引起的内力重分布, 用简单的塑性铰理论进行内力分析。按塑性设计时, 钢材和连接的强度设计值应按规程的有关条款规定的数值乘以折减系数 0. 9。塑性设计截面板件的宽厚比也应符合有关规定。 4、采用变截面构件或塑性设计 在门式刚架这种结构形式中, 刚架梁的内力以弯矩为主, 刚架柱虽然是压弯构件, 通常也是弯矩的效应大于压力。在竖向荷载作用下, 刚架各截面弯矩图并不相等。为了充分发挥各截面的作用, 在弯矩大的地方采用较大的截面, 弯矩小的地方采用较小的截面是一个减小用钢量十分有效的办法。根据荷载与支座情况, 钢梁可选择变截面焊接 H 型钢,
9、其截面高度通常在跨度的 1/ 20 1/ 50 之间选择。柱截面按长细比并考虑与梁的连接等构造问题选择。长细比通常取 50 150, 根据轴心受压, 双向受弯或单向受弯的不同, 选择变截面 H 型钢的大小。当长细比过大时, 应采取侧向支撑措施。在等截面门式刚架的设计中, 采用塑性设计的方法, 也能降低用钢量。 5、应力蒙皮效应 压型钢板在作为轻钢结构体系围护结构的同时,还可以承受围护结构平面内的载荷, 即具有平面内的抗剪能力, 称为应力蒙皮效应。压型钢板能够参与整体结构体系的共同工作, 增强结构的整体刚度, 减少结构的侧移, 为与它相连的构件( 如梁柱、檩条等) 提供有效的侧向约束作用, 从而
10、可以减少或取消一部分支撑构件, 甚至还能够减小构件的截面面积。可见,考虑压型钢板的应力蒙皮效应有着明显的经济意义。 6、隅撑的设置 在轻钢厂房设计中, 通常通过设置隅撑来减小钢梁的平面外计算长度, 保证钢梁的整体稳定; 减小檩条的支承长度和内力。在施工中, 通过设置隅撑, 确保钢梁的施工安装精度。而在实际设计中, 主要考虑把隅撑作为钢梁平面外的支点。从理论上讲,隅撑只要设置在钢梁的受压翼缘处就可以确保钢梁的整体稳定。一些手册和文献上都建议将隅撑布置在钢梁的跨中或屋脊的弯折处。根据以往的经验, 为了减小钢梁的平面外计算长度, 一般每隔一根檩条设置一道隅撑。隅撑间隔约为 3 m。在进行隅撑设计时应
11、当注意以下三点: （1) 钢梁截面较大时( 钢梁跨度较大或钢梁上荷载较大) , 应按规程要求验算隅撑的强度。 （2) 与隅撑相连的檩条厚度不宜太薄, 不宜小于 2. 0 mm, 以保证隅撑对钢梁的支承效果。必要时应验算檩条与隅撑相连处檩条的局部承压能力。 （3) 关于设有隅撑的钢梁或钢柱的平面外计算长度是否可以按隅撑的间距的问题尚存争议。在没有经验的情况下, 可适当放大, 建议取隅撑间距的 1. 1 倍 1. 2 倍。 7、围护及其他构造的优化 围护系统是指彩钢板、保温层、天沟等。彩钢板由于板型、基板厚度、镀（铝）锌层厚度、厂家的不同，价格会有较大的差别；保温层有超细玻璃丝棉、岩棉等之分；天沟
12、材料分为不锈钢、彩板、钢板。以上围护材料选择的差异，都会影响厂房的总造价。在不改变原建筑风格的前提下，采用市场常用的围护材料，也节省了一部分投资，避免了一些不必要的浪费 结论 在轻钢厂房结构设计中, 要明确判别轻钢厂房的适用范围, 在计算过程中选用正确的规范及相应的参数; 其次, 从摇摆柱、隅撑的布置方面, 解决上述文章所提出应注意的问题; 同时合理设置支撑, 保证结构的整体性。这样才能使设计出的轻钢厂房达到安全、经济、合理的水平。【参考文献】 1 裴红梅 . 谈轻型钢结构的应用 J . 山西建筑, 2004( 18) : 6162. 2 周学辉, 柳 峰, 王建明, 等. 门式刚架轻钢结构设计与施工 M . 济南: 山东科学技术出版社, 2001.
