門式剛架優化設計的淺析

莫 偉 雷新海

（湛江南海西部石油勘察設計有限公司 524000）

引言

門式剛架結構是鋼結構廠房中應用最廣泛的鋼結構形式，主要應用于工業廠房、倉儲庫房中。門式剛架的結構優化是一個系統優化，也就是在滿足設計目標要求基礎上，同時滿足各類約束條件，將理論知識與實際結合在一起，在可允許的標準規定范圍內和其他約束條件下進行設計，以得到最優的設計方案，達到“質優、價廉”的經濟指標。結構優化設計對門式剛架的應用有著十分重要的應用意義。

1 門式剛架概述

門式剛架上部架構涵蓋了支撐、剛架柱、斜梁等，門式剛架輕型房屋鋼結構具有受力簡單、傳力途徑明確、構件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點，因此廣泛應用于工業與民用設施中。目前，國內已經出現了很多輕鋼結構建筑，并且已經有一批優秀的設計人員成長起來。國內在軟件設計方面也更加成熟，如PKPM、3D3S、YJK等軟件，國內的這幾種軟件均涵蓋了鋼結構設計模塊，滿足各種鋼結構設計需求。但是在實際工程應用中發現，即使利用同一個軟件時，不同設計人員也會得到不同的設計成果。這是因為設計人員對于工程的理解、軟件的利用、經驗不同引起的。設計結果將會直接決定工程含鋼量、工程造價，因此工程的結構設計不僅要求能夠符合相關規定，保證安全，還需要在滿足相關要求基礎上進行優化，最大程度降低工程造價，降低含金量，保證工程經濟合理，因此在鋼結構設計中需要逐步優化整個設計項目。

2 優化設計

2.1 結構選型

門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。

合理選擇結構形式，包括合理選擇柱距、跨度、屋面坡度等至關重要。首先，柱距是需要首先考慮的因素，對鋼量有著重大影響。統計資料顯示，當前工程設計中柱距一般在6～9m，總用鋼量沒有什么太大變化。如果柱距小于6m，鋼用量將會隨著柱距增加而逐漸下降，柱距超過9m后，用鋼量將會與吊車梁、支撐等因素有關，這類構件增加，用鋼量也會相應的增加。柱距和跨度首先應滿足工藝布置的要求。當工藝無特別要求時，柱距應以6～9m為宜。有吊車及較大屋面吊掛荷載的廠房，柱距宜接近6m；無吊車及屋面吊掛荷載的廠房，柱距宜接近9m。具體工程應通過結構計算模型的試算比較來最終確定。門式剛架跨度宜采用9～36m，當邊柱寬度不等時，其外側應對齊。屋面坡度一般以5～10%為宜，沿海多雨地區應適當增大坡度。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB51022-2015）頒布后，門式剛架跨度可以擴大至48m；吊車噸位較大，跨度可以控制在24～36m，噸位較小時最為合理的跨度為18～24m。跨度對用鋼量的影響不同忽視，在工程中，影響跨度的因素有很多，其中荷載是主要因素之一，荷載越大，跨度對用鋼量的影響就越大。

2.2 選擇材質

門式剛架輕型鋼結構設計中常采用的鋼材質為Q235B、Q345B鋼。這兩種鋼強度也存在一定的差異，與Q235鋼相比而言，Q345鋼的強度更高。在應用中，應結合工程項目需求合理選擇：

（1）結合結構情況合理選擇構件。工程規模小、構件截面小，可以選擇Q235B鋼；大型結構可以采用Q345B鋼，充分發揮出這種鋼材質的強度高優勢。Q345B鋼材與Q235B鋼材相比，前者的強度要高于后者，如果結構為強度指標控制，則在相同的工程中，可以優先考慮Q345B鋼材，這類鋼材結構更輕；若結構主要為構造，比如長細比指標控制，則選擇Q235B更為經濟。因此在鋼材的應用中，需要同時考慮到不同材質的價格和含鋼量，綜合考慮，在滿足相關要求基礎上選擇材質更好的鋼材。

（2）從鋼材市場的供貨情況看，市場中的鋼材規格和品種并不是全部齊備的，如果在設計中發現所采用的鋼材質在當地市場中無法得到，就需要到其他區域購買，這就增加了運輸費用，引起施工成本增加。因此在設計中需要充分考慮特定時間下當地鋼材市場材質，合理設計，避免非常規鋼材的應用。

2.3 綜合優化

根據建筑參數進行結構建模計算，國內常用的設計軟件PKPM、3D3S都可以計算解耦股，在調整界面尺寸方面也較為便捷，因此在綜合優化中可以利用這類軟件來實施。

（1）調整柱、梁腹板、翼緣的等的尺寸、規格等參數中，應結合相關設計規定要求，滿足梁平面內、外的穩定應力比及長細比規定要求。

（2）結合柱、梁構件的強度、抗彎承載力比值來確定截面尺寸，充分考慮腹板高厚比、翼緣寬厚比，防止局部失穩。

（3）注重結構計算的同時，也要重視結構的構造設計，保證結構體系的完整，充分考慮結構支撐體系的布置與設計。

3 結束語

優化不是一味的強調用鋼量最少，優化必須以結構安全、體系合理為前提。門式剛架的優化設計屬于一個系統的功能，影響因素有很多，設計人員對門式剛架的理解能力、計算機應用能力以及專業素質能力都會影響到優化設計效果。在優化設計中，只有綜合考慮這些因素，才能夠達到滿意的優化效果，保證截面優化達到最佳。