跨度及柱距對單層門式剛架經濟性影響研究

黃 騰，王興鵬（ 上海歐本鋼結構有限公司，上海 200127）

近年來隨著我國電子商務的普及與快速發展，物流行業的發展被同步帶動，也增加了人們對各種倉庫廠房的需求。門式剛架作為一個受力簡單、構件制作方便與現場施工周期短的結構體系，其采用的鋼結構可應對大跨度、大空間的需求，成為各種倉儲廠房的首選。門式剛架柱網尺寸布置自由靈活，可根據需要決定廠房的高度、長度、寬度。不同柱距與跨度的門式剛架經濟性各不相同。本文通過對相同檐口高度、相同荷載條件情況、不同跨度或者不同柱距的單層門式剛架進行設計計算，統計各種條件下門式剛架的用鋼量，為門式剛架工程經濟性提供參考數據。

1 計算條件

1.1 跨度–用鋼量統計分析設計條件

檐口高度取 9.0 m 與 10.5 m 兩組，建筑平面長度192 m，柱間距 12 m，雙坡三跨。三跨跨度相等，每跨分別按 18 m、20 m、22 m、24 m、27 m、30 m 等 6 種方案考慮。設置 2 道防火墻，3 個防火分區。恒荷載取屋面板重量、檁條自重、拉條支撐等構件合計 0.20 kN/m2，消防噴淋荷載 0.15 kN/m2，恒荷載合計 0.35 kN/m2；活荷載剛架計算取 0.30 kN/m2，檁條計算取 0.50 kN/m2，風荷載按 50 a一遇取 0.45 kN/m2，地面粗糙度為 B 類，雪荷載按 100 a 一遇取 0.45 kN/m2。地震設防烈度為 7 度，0.10g。第一組場地土類別 II 類，其他設定參考如表 1 所示。

表1 跨度－用鋼量統計分析設計條件

1.2 柱距–用鋼量統計分析設計條件

建筑平面長度為 180 m，雙坡三跨，每跨跨度為 24 m，柱距分別按 6.0 m、7.5 m、9.0 m、10.5 m、12.0 m 等5 種方案計算，其他條件參考如表 2 所示。

表2 柱距－用鋼量統計分析設計條件

2 計算過程

2.1 二維門式剛架計算

軟件選取 PKPM V 5.1.2 版本。先計算屋面檁條截面，為后面定義梁的平面外計算長度做準備。屋面檁條長度取柱間距，檁條間距為 1.5 m，選用 Z 型斜卷邊檁條，按連續檁條進行計算，應力比按 0.93 進行控制。計算檁條截面后，在軟件中建立門式剛架模型，定義梁面外穩定應力按隅撐作為支撐點計算。隅撐支撐 1 截面為 L 50×5.0 m 角鋼，布置間距為 3 000 mm，與檁條角度為 45°，隅撐孔距檁條下邊緣距離為檁條高度的 1/2，檁條為 Z 型斜卷邊檁條，截面為上面計算出最小的檁條截面，跨度選取柱間距，檁條到梁上皮距離為 20 mm；隅撐支撐 2 布置間距為 1 500 mm，其他參數與支撐 1 相同。

每跨將梁分為 3 段，其中與柱相連的兩段設置隅撐支撐2，剩下中間一段設置隅撐支撐 1。邊柱平面外計算長度根據柱上隅撐布置間距取 3 m。輸入荷載，風荷載體型系數按GB 51022—2015 中表 4.2.2-1 的要求取值，交由軟件自動確定數值；雪荷載不均勻布置按 GB 51022—2015 中表 4.3.2中第 2 款規定取值，且雪荷載與活荷載為一對互斥活荷載。

模型建立和荷載輸入完成后，調整整體鋼結構的參數。選取鋼梁按壓彎構件計算平面內穩定性，搖擺柱設計內里放大系數為 1.5，凈截面與毛截面比值 0.93，鋼材牌號選取 Q 355，荷載分項系數根據 GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》要求，恒荷載取 1.3，活荷載取1.5，活荷載不利布置只考慮 0.3 kN/m2基礎活荷載，其他參數為軟件默認即可。

設置所有模型與參數后，按 0.93 控制模型應力比，盡可能靠近 0.93，同時滿足撓度與位移等其他相關要求。

2.2 不同跨度下夾層三維模型計算過程

一般廠房內或是倉庫內會在部分區域設置辦公室或者休息區，對于研究不同跨度的門式剛架而言，夾層的尺寸總是固定的，對比較整體建筑的經濟性分析不會有明顯的影響。相對于研究柱距對整體建筑經濟性的影響，由于夾層某一邊長度和柱距是相同的，柱距的改變會引起夾層部分用鋼量的變化，因此在研究柱距對經濟性影響的時候不考慮夾層設計。本次研究設置了 2 個夾層，該研究主要是分析不同跨度對經濟性的影響，并不需要得出實際真實的用鋼量，因此夾層的布置比較簡單，方便計算。

夾層恒荷載取 4.5 kN/m2，活荷載取 2.5 kN/m2，樓層高度取 4.5 m，梁柱構件的高厚比與寬厚比按 GB 50017—2017《鋼結構設計標準》與 GB50011—2010《建筑結構抗震設計規范》中兩者規定的較嚴值設計，夾層具體布置軸網按圖 1 所示。

圖1 夾層軸網布置圖

此次研究中各種案例下夾層用鋼量都相同，因此參數按平時工程中常用的選取即可，應力比按 0.93 控制。

3 設計結果及分析

3.1 不同跨度對用鋼量的影響

首先，比較不同跨度的部分截面尺寸圖。22 m 跨度與27 m 跨度剛架部分截面尺寸圖如圖 2 所示。由圖 2 可知，隨著跨度增加，鋼梁截面尺寸的高度與翼緣都有增加，跨度越大，單跨梁所承受到的荷載就越大，就需要更大的截面來保證構件的正常使用狀態。其中，截面高度主要為梁的抗彎性能提供保障，翼緣寬度為梁的穩定性提供保障，而腹板因為對用鋼量影響最大，一般只有抗剪承載力不夠時，才會增加腹板厚度。柱也是相同的方法?？缍权C用鋼量曲線如圖 3所示。

圖2 22 m 跨度與 27 m 跨度剛架部分截面尺寸圖

圖3 跨度–用鋼量曲線圖（包含單側夾層與雨篷）

由圖 3 可知，考慮單側夾層和雨篷用鋼量后，12 m 柱距不同跨度單層門式剛架建筑每平方米用鋼量的變化趨勢。

（1）24～30 m 的跨度，建筑平方米用鋼量相比較最為經濟，如果工藝、建筑條件許可下，盡可能采用該區間的跨度。

（2）對相同凈高，跨度＜24 m或＞24 m，用鋼量均會有所增加—跨度每增加或減少 2 m，用鋼量增加在0.1～1.2 kg/m2。

（3）相同跨度，凈高越高用鋼量越大；常用凈高 10.5 m的物流倉庫基本比凈高 9.0 m 的物流倉庫用鋼量重1.2～2.0 kg/m2。

3.2 不同柱距對用鋼量的影響

對于不同柱距的剛架，構件截面的變化規律與不同跨度的剛架原理相同，柱距越大，單榀鋼架所承受的荷載也越大，構件截面也隨之變大。柱距–用鋼量曲線如圖 4 所示。

圖4 柱距–用鋼量曲線

由圖 4 可以觀察到 24 m×3 跨、不同柱距單層門式剛架建筑每平方米用鋼量的變化趨勢。

（1）7.5 ～ 9.0 m 柱距，建筑平方米用鋼量相比較最為經濟，工藝、建筑條件許可下，盡可能采用該區間的柱距。

（2）對相同凈高，柱距＜7.5 m 或＞9 m，用鋼量均會有所增加—柱距每增加或減少 1.5 m，用鋼量增加0.1～1.2 kg/m2。

（3）相同柱距，凈高越高用鋼量越大；常用凈高 10.5 m 的物流倉庫基本比凈高 9.0 m 的物流倉庫用鋼量重1.5～1.8 kg/m2。

4 結 語

通過研究分析，可以找到一個相對經濟的軸網布置尺寸。但需要注意的是，影響整體建筑經濟性的因素仍有很多。本次研究是通過控制標準變量進行分析，主要目的是反映每平方米用鋼量的變化趨勢，給門式剛架的柱距與跨度選取提供參考。影響用鋼量的因素還有很多，經由對各種變量因素的考慮與計算，其所得用鋼量才是準確真實的。