门式刚架轻型房屋钢结构体系的经济性探索

　　摘要：本文综合考虑各种影响因素情况下研究门式刚架的经济性。即门式刚架轻型房屋钢结构总用钢量随厂房吊车吨位，跨度，高度，柱距存在特定的变化规律，以及各组成构件用钢量所占比例的构成规律。
　　关键词：门式刚架；轻型房屋；钢结构体系
　　门式刚架轻型房屋钢结构是一个系统工程，整个结构由屋面压型钢板、屋面擦条、墙面擦条、吊车梁、支撑系统以及起主要承重结构的多榻门式刚架等组成，其经济性既取决于各组成构件的用钢量，又取决于各构件之间的合理组合。比如在建筑平面尺寸一定时，若柱距小，则擦条和吊车梁的用钢量就省，但是门式刚架的数量增加，因而用钢量不一定就省;反之，若柱距大，则凛条和吊车梁的用钢量增加，但是门式刚架的数量减少，因而用钢量不一定增加。选取合理的柱距，可以使总的用钢量最少，达到优化设计的目的。同样吊车吨位、柱高、跨度等对门式刚架轻型房屋钢结构的用钢量也起到同样决定性作用。
　　本文综合考虑各种影响因素情况下研究门式刚架的经济性。即门式刚架轻型房屋钢结构总用钢量随厂房吊车吨位，跨度，高度，柱距存在特定的变化规律，以及各组成构件用钢量所占比例的构成规律。
　　1门式刚架轻型房屋钢结构的特点
　　门式刚架轻型房屋钢结构在我国的应用大约始于20世纪80年代初期。近三十年来得到迅速的发展，目前国内每年有上千万平方米的轻钢建筑工程，主要用于轻型的厂房、仓库、体育馆、展览厅及活动房屋、加层建筑等。
　　门式刚架轻型房屋钢结构是指以轻型焊接H形钢(等截面或变截面)、热轧H型钢(等截面)或冷弯薄壁型钢等构成的实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架，用冷弯薄壁型钢(槽形、Z形等)做擦条、墙梁;以压型金属板(压型钢板、压型铝板)做屋面、墙面;采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨酷泡沫塑料、岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料并适当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。
　　在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形变截面构件，单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多刚接和铰接并用;柱脚可与基础刚接或铰接;围护结构多采用压型钢板;保温隔热材料多采用玻璃棉。
　　门式刚架轻型房屋钢结构相对于传统钢筋混凝土结构(排架)具有以下特点:
　　①柱网布置比较灵活
　　传统钢筋混凝土结构形式由于受屋面板、墙板尺寸的限制，柱距多为6米，当采用12米柱距时，需设置托架及墙架柱。而门式刚架结构的围护体系采用金属压型板，所以柱网布置不受模数限制，柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原则来确定。
　　②质量轻
　　围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。根据国内工程实例统计，单层轻型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10-30kg/m2，在相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的1/20-1/30。由于结构质量轻，相应地基础可以做得较小，地基处理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小。但当风荷载较大或房屋较高时，风荷载可能成为单层轻型门式刚架结构的控制荷载。
　　③抗震性能好
　　由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减少地震灾害和人员伤亡。
　　④工业化程度高，施工周期短
　　门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作，质量易于保证，工地安装方便;除基础施工外，基本没有湿作业;构件之间的连接多采用高强度螺栓连接，安装迅速。
　　⑤宜于拆卸搬迁和资源的回收利用
　　一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
　　⑥利于环保
　　由于钢结构的绝大部分制作工作在工厂进行，现场多为安装，避免了钢筋混凝土及水泥砂浆的现场搅拌和整捣所带来的噪音和粉尘污染。
　　⑦综合经济效益高
　　由于施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益;更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资;由于采用了聚苯己烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔音等效果良好。根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。
　　正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房中获得了广泛的应用。
　　2经济性指标统计
　　门式刚架房屋钢结构体系用钢量的经济性指标统计计算的基本条件为:
　　①计算程序采用中国建筑科学研究院编制的PKPM-STS;
　　②基本规范为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002);
　　③屋面恒荷载标准值0.3KN/m2，活载标准值0.3KN/m2;
　　④基本风压0.4KN/m2，地面粗糙度为B类;
　　⑤横向跨数为单跨;
　　⑥柱距有6m,7.5m,9m三种;
　　⑦跨度有12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m;
　　⑧无吊车，St,10t,15t,20t五种(吊车设定为两台，工作级别AS);
　　⑨檐口高度为4.5m,6m,7.5m,9m;
　　⑩屋面坡度为1:20，均为单跨双坡;无吊车柱脚为铰接，有吊车柱脚为刚接;抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g;
　　3经济性指标分析
　　3.1门式刚架房屋单方用钢量变化规律:
　　门式刚架房屋单方用钢量随吊车吨位、柱距、柱高及跨度的变化规律详见图1.
　　
　　图1门式刚架房屋单方用钢量变化曲线
　　分析图中用钢量的变化规律，可以看到:
　　①门式刚架房屋单方用钢量随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(无,5T,10T,15T,20T)的增加，单方用钢量增加，无吊车厂房用钢量明显较低。
　　②门式刚架房屋单方用钢量随柱距变化规律:随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，单方用钢量先变小后变大。7.5m柱距最经济;对有吊车厂房，9m柱距用钢量最大。
　　③门式刚架房屋单方用钢量随柱高变化规律:随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，单方用钢量呈线性增加。
　　④门式刚架房屋单方用钢量随跨度变化规律:随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，单方用钢量先变小后变大。无吊车时，最优经济跨度为12-15m;ST吊车厂房最优经济跨度为21-24m;10T吊车厂房最优经济跨度为24-27m;15T吊车厂房最优经济跨度为27-30m;20T吊车厂房最优经济跨度为30-33m。
　　3.2屋面墙面檀条用钢量比例变化规律:
　　屋面墙面擦条用钢量比例随吊车吨位、柱距、柱高及跨度的变化规律详见图2.
　　
　　图2屋面墙面擦条用钢量比例变化曲线
　　分析图中用钢量比例的变化规律，可以看到:
　　①屋面墙面擦条用钢量比例随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(无，5T,10T,15T,20T)的增加，用钢量所占比例减少。
　　②屋面墙面擦条用钢量比例随柱距变化规律:随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例增加。
　　③屋面墙面擦条用钢量比例随柱高变化规律:随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例减少。
　　④屋面墙面擦条用钢量比例随跨度变化规律:随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例的变化规律是先增加后降低的二次曲线关系。
　　3.3吊车梁用钢量比例变化规律
　　吊车梁用钢量比例随吊车吨位、柱距、柱高及跨度的变化规律详见图3.
　　
　　图3吊车梁用钢量比例变化曲线
　　分析图中用钢量比例的变化规律，可以看到:
　　①吊车梁用钢量比例随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(5T,10T,15T,20T}的增加，用钢量所占比例增加。
　　②吊车梁用钢量比例随柱距变化规律:随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例增加。
　　③吊车梁用钢量比例随柱高变化规律:随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例减少。
　　④吊车梁用钢量比例随跨度变化规律:随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例呈线性减少较快。
　　3.4门式刚架用钢量比例变化规律:
　　门式刚架用钢量比例随吊车吨位、柱距、柱高及跨度的变化规律详见图4。
　　
　　图4门式刚架用钢量比例变化曲线
　　分析图中用钢量比例的变化规律，可以看到:
　　①门式刚架用钢量比例随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(5T,l0T,15T,20T)的增加，用钢量所占比例比较接近。
　　②门式刚架用钢量比例随柱距变化规律:随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例呈线性减少。
　　③门式刚架用钢量比例随柱高变化规律:随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例呈微弱增加。
　　④门式刚架用钢量比例随跨度变化规律:随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例呈线性增加较快。
　　结束语
　　门式刚架轻型房屋钢结构作为一个系统工程，其经济性既取决于各组成构件的用钢量，同时取决于各构件之间的合理组合(即合理的建筑空间)。通过本章的统计分析，探索了门式刚架轻型房屋钢结构总用钢量随厂房吊车吨位，跨度，高度，柱距存在特定的变化规律，以及各组成构件用钢量所占比例的构成规律。其规律是特定的，其中:
　　门式刚架房屋单方用钢量随吊车吨位(无，5T,10T,15T,20T)的增加，单方用钢量增加;随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，单方用钢量先变小后变大;随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，单方用钢量呈线性增加;随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，单方用钢量先变小后变大。
　　屋面墙面擦条用钢量比例随吊车吨位(无，5T,l0T,15T,20T)的增加，用钢量所占比例减少;随柱距(6m,7.5m;9m)的增加，用钢量所占比例增加;随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例减少;随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例的变化规律是先增加后降低。
　　吊车梁用钢量比例随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(5T,10T,15T,20T)的增加，用钢量所占比例增加;随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例增加;随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例减少;随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例减少。
　　门式刚架用钢量比例随吊车吨位变化规律:随吊车吨位(5T,10T,15T,20T)的增加，用钢量所占比例比较接近;随柱距(6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例减少;随柱高(4.5m,6m,7.5m,9m)的增加，用钢量所占比例增加;随跨度(12m,15m,18m,21m,24m,27m,30m,33m)的增加，用钢量所占比例增加。
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