门式刚架优化设计的浅析

莫 伟 雷新海

（湛江南海西部石油勘察设计有限公司 524000）

引言

门式刚架结构是钢结构厂房中应用最广泛的钢结构形式，主要应用于工业厂房、仓储库房中。门式刚架的结构优化是一个系统优化，也就是在满足设计目标要求基础上，同时满足各类约束条件，将理论知识与实际结合在一起，在可允许的标准规定范围内和其他约束条件下进行设计，以得到最优的设计方案，达到“质优、价廉”的经济指标。结构优化设计对门式刚架的应用有着十分重要的应用意义。

1 门式刚架概述

门式刚架上部架构涵盖了支撑、刚架柱、斜梁等，门式刚架轻型房屋钢结构具有受力简单、传力途径明确、构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点，因此广泛应用于工业与民用设施中。目前，国内已经出现了很多轻钢结构建筑，并且已经有一批优秀的设计人员成长起来。国内在软件设计方面也更加成熟，如PKPM、3D3S、YJK等软件，国内的这几种软件均涵盖了钢结构设计模块，满足各种钢结构设计需求。但是在实际工程应用中发现，即使利用同一个软件时，不同设计人员也会得到不同的设计成果。这是因为设计人员对于工程的理解、软件的利用、经验不同引起的。设计结果将会直接决定工程含钢量、工程造价，因此工程的结构设计不仅要求能够符合相关规定，保证安全，还需要在满足相关要求基础上进行优化，最大程度降低工程造价，降低含金量，保证工程经济合理，因此在钢结构设计中需要逐步优化整个设计项目。

2 优化设计

2.1 结构选型

门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、多跨，按屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。

合理选择结构形式，包括合理选择柱距、跨度、屋面坡度等至关重要。首先，柱距是需要首先考虑的因素，对钢量有着重大影响。统计资料显示，当前工程设计中柱距一般在6～9m，总用钢量没有什么太大变化。如果柱距小于6m，钢用量将会随着柱距增加而逐渐下降，柱距超过9m后，用钢量将会与吊车梁、支撑等因素有关，这类构件增加，用钢量也会相应的增加。柱距和跨度首先应满足工艺布置的要求。当工艺无特别要求时，柱距应以6～9m为宜。有吊车及较大屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近6m；无吊车及屋面吊挂荷载的厂房，柱距宜接近9m。具体工程应通过结构计算模型的试算比较来最终确定。门式刚架跨度宜采用9～36m，当边柱宽度不等时，其外侧应对齐。屋面坡度一般以5～10%为宜，沿海多雨地区应适当增大坡度。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）颁布后，门式刚架跨度可以扩大至48m；吊车吨位较大，跨度可以控制在24～36m，吨位较小时最为合理的跨度为18～24m。跨度对用钢量的影响不同忽视，在工程中，影响跨度的因素有很多，其中荷载是主要因素之一，荷载越大，跨度对用钢量的影响就越大。

2.2 选择材质

门式刚架轻型钢结构设计中常采用的钢材质为Q235B、Q345B钢。这两种钢强度也存在一定的差异，与Q235钢相比而言，Q345钢的强度更高。在应用中，应结合工程项目需求合理选择：

（1）结合结构情况合理选择构件。工程规模小、构件截面小，可以选择Q235B钢；大型结构可以采用Q345B钢，充分发挥出这种钢材质的强度高优势。Q345B钢材与Q235B钢材相比，前者的强度要高于后者，如果结构为强度指标控制，则在相同的工程中，可以优先考虑Q345B钢材，这类钢材结构更轻；若结构主要为构造，比如长细比指标控制，则选择Q235B更为经济。因此在钢材的应用中，需要同时考虑到不同材质的价格和含钢量，综合考虑，在满足相关要求基础上选择材质更好的钢材。

（2）从钢材市场的供货情况看，市场中的钢材规格和品种并不是全部齐备的，如果在设计中发现所采用的钢材质在当地市场中无法得到，就需要到其他区域购买，这就增加了运输费用，引起施工成本增加。因此在设计中需要充分考虑特定时间下当地钢材市场材质，合理设计，避免非常规钢材的应用。

2.3 综合优化

根据建筑参数进行结构建模计算，国内常用的设计软件PKPM、3D3S都可以计算解耦股，在调整界面尺寸方面也较为便捷，因此在综合优化中可以利用这类软件来实施。

（1）调整柱、梁腹板、翼缘的等的尺寸、规格等参数中，应结合相关设计规定要求，满足梁平面内、外的稳定应力比及长细比规定要求。

（2）结合柱、梁构件的强度、抗弯承载力比值来确定截面尺寸，充分考虑腹板高厚比、翼缘宽厚比，防止局部失稳。

（3）注重结构计算的同时，也要重视结构的构造设计，保证结构体系的完整，充分考虑结构支撑体系的布置与设计。

3 结束语

优化不是一味的强调用钢量最少，优化必须以结构安全、体系合理为前提。门式刚架的优化设计属于一个系统的功能，影响因素有很多，设计人员对门式刚架的理解能力、计算机应用能力以及专业素质能力都会影响到优化设计效果。在优化设计中，只有综合考虑这些因素，才能够达到满意的优化效果，保证截面优化达到最佳。