门式轻钢房结构用钢量控制与分析

(1.山西建筑工程集团有限公司设计院，山西 太原 030002；2.山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

门式刚架轻型房屋作为一种常见的结构形式，越来越受到人们的青睐，是轻型工业与民用加工企业的首选。随着建筑材料的不断更新换代，新型外墙板材在轻钢结构中得以推广应用，一些体育馆、展览厅、会议厅、食堂等大空间的建筑也选择用轻型门式刚架来建造，在充分发挥设计简单、施工快、造价低的优势上，又体现出美观大方、环保节能的优点。

从结构设计的角度出发，在满足规范要求和质量安全的前提下，如何减少用钢量是成本控制的首要问题。本文结合门式刚架轻钢厂房工程来分析结构用钢量的控制措施。

1 主体结构用钢量分析

1.1 高度和跨度的影响

GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(以下简称“《门刚规范》”)提出了适用范围，规定单层轻钢房屋高度≯18 m，房屋高宽比<1，一般的门式轻钢结构都能满足该要求，在满足建筑使用要求的前提下，房屋高度越低则用钢量越少，因此设计时应选择合理的房屋高度。柱子高度的主要影响因素是吊车的起吊高度，设计时应严格按照吊车样本数据计算柱子的牛腿标高和上柱高度，把房屋檐口总高度值控制在最小范围内。

跨度对钢梁的影响较大。一般认为无吊车厂房的经济跨度为18～36 m，有吊车厂房的经济跨度为24～36 m。设计时，无论房屋内有无吊车，跨度为30 m左右最为经济，跨度>36 m时建议增设中柱。此外，多跨连续的厂房对钢柱用钢量的影响较大，等高等跨时最为经济。若房屋跨度不相等且相差较大时，结构总用钢量就会增加。因为不同跨交接处共用的钢柱是按照大跨度来计算的，小跨度的柱子则会偏大。此类问题最好的处理办法是将跨度小的刚架布置在整体房屋的最外侧，条件允许的情况下应降低其檐口高度，形成高度跨结构，以减小小跨度房屋的柱子截面尺寸。

1.2 柱距和屋面坡度的影响

柱距对钢柱的截面尺寸影响不大，但当柱距过小时则会增加刚架的数量，柱距太大时则会影响钢梁的截面尺寸，会增加檩条和墙梁的用钢量。经过多个工程的对比及相关文献参考可知，7.5 m的柱距最为经济合理。

屋面坡度对钢梁影响较大，对钢柱影响较小。一般来说，坡度越大对钢梁截面尺寸控制越有利。《门刚规范》规定，屋面坡度宜取1/8～1/20，为了方便计算，设计时通常取1/10，并根据钢梁受力分析弯矩图，结合抗风柱间距划分为若干段，一般单坡为15 m可以分两段。钢梁采用变截面梁以节省材料，檐口和屋脊处截面大，中间截面小。梁高可按计算确定，梁宽≯200 mm，以高厚比、宽厚比控制为主。

1.3 荷载及计算参数的影响

屋面恒、活荷载的大小及布置较为简单，其中风荷载、雪荷载和吊车荷载的影响较大。风荷载输入时，基本风压调整系数为1.1。雪荷载按100年重现期确定，计算软件自动识别不上人屋面活荷载和雪荷载，取大值进行计算。计算前应核实各参数是否正确，检查构件上面的荷载布置是否正常。此外，墙面自重、屋面排风、采光设备、天沟排水系统、观光检修设施、女儿墙的风荷载等不可忽略。

吊车荷载是结构效应的主要部分，设计前应按照吊车样本确定好吊车的吊高、跨度、小车高度、活动范围等参数。选用计算软件自带的吊车数据库时，应核实最大轮压、小车重量及吊车轮距等数据与样本是否一致，不一致时应进行调整。刚架柱顶位移限值当吊车由驾驶室时为1/400，吊车由地面超控时为1/180，该指标对钢柱的截面尺寸影响较大，设计前应和项目参与的多方单位及人员确定好吊车的使用情况，由地面超控时可节省钢柱的用钢量。此外，计算时应按照荷载规范要求对多台吊车作用进行折减，以减小柱子截面。当吊车起重量较大时，钢柱可在牛腿处采用变截面，以减小上柱的截面；不设吊车的轻钢房屋，钢柱可以采用上大下小的楔形截面。

1.4 构件长细比的影响

《门刚规范》规定柱的长细比限制为180，地震作用起控制作用时，柱长细比限制为150。柱平面外计算长度可输入钢柱侧向支撑点间的距离，侧向支撑必须能够限制钢柱的侧向变形。钢柱高度为7～9 m时，建议加大钢柱翼缘宽度，有吊车时下柱高度>9 m时，可以布置侧向刚性系杆以减小柱子平面外计算长度。侧向刚性系杆可水平设置与柱同宽的双肢角钢桁架，角钢肢与柱翼缘板焊接，中间用缀条连接。另外，《门刚规范》规定抗风柱的平面外计算长度可取两倍墙面隅撑的间距，隅撑间距一般取3 m，既抗风柱平面外计算长度≯6 m，可大大降低抗风柱的用钢量。

钢梁平面外计算长度取屋面水平支撑宽度，宽度不均匀时取大值。屋面水平支撑的间距应根据坡面跨度，再结合抗风柱间距和钢梁变截面处转折点来确定。

2 支撑系统及围护系统用钢量分析

2.1 支撑系统用钢量分析

柱间支撑设计的3个步骤：首先是柱间支撑的布置，《门刚规范》和相关抗震规范均有明确规定，建议执行《门刚规范》并从严控制；其次是柱间支撑的长细比控制，对于X型交叉支撑，《门刚规范》和相关抗震规范均明确规定可按拉杆设计，建议位于8、9度抗震设防区的轻钢房屋且设有15 t以上的中级吊车时，柱间支撑应按照一压一拉杆计算，其他情况可按照拉杆计算；最后是柱间支撑的计算问题，建议取房屋纵向排架，利用计算机整体计算，屋面水平支撑的截面尺寸可参考标准图集确定。

2.2 围护系统用钢量分析

影响檩条截面尺寸的因素有屋面荷载、檩条跨度以及檩条的安装工艺。檩条截面尺寸计算时，屋面活荷载取0.5 kN/m2，施工及检修荷载为1.0 kN布置在跨中，基本雪荷载按100年重现期确定，基本风压的调整系数为1.5。檩条安装工艺直接影响着檩条稳定性计算，当屋面板能够阻止檩条上翼缘侧向失稳、檩条受压翼缘下有内衬板约束且能防止檩条截面扭转时，可不计算檩条的整体稳定，从而减少檩条的用钢量。屋面板能够阻止檩条上翼缘侧向失稳的做法是：屋面板采用自攻螺钉与檩条固定，檩条受压翼缘下有内衬板的做法是把夹芯板分开，把下层铁皮安装在檩条下翼缘。设计时截面尺寸计算所采用的限定条件应与屋面板施工工艺相一致，不可贸然采用。墙梁截面尺寸的控制点与檩条基本一致。

3 其他用钢量分析

3.1 其他构件用钢量分析

排水天沟系统和吊车梁系统也是轻钢房屋用钢量的组成部分。排水天沟一般采用镀锌铁皮或不锈钢制作，厚度一般控制在2.0 mm以下，设有虹吸排水时可取2.5 mm，悬挂龙骨采用2.5 mm壁厚的矩形管；吊车梁应按照钢结构设计标准要求，通过计算确定其截面大小，具体做法是：按照起重量大小划分生产作业区域，在不同区域设计不同截面的吊车梁。吊车梁的制作规格可参考标准图集。

3.2 材料强度的影响

主体钢结构及吊车梁等承重构件，一般采用Q345B钢计算，板件厚度控制在16 mm以内；支撑系统及围护系统的构件，一般采用Q235B钢计算，必要时可以采用Q345B钢。

4 结语

按照以上方法设计的轻钢房屋，其总用钢量是较为理想的。以8度抗震设防区，设置有20 t吊车的轻钢房屋为例，采用上述设计后，主体结构的用钢量一般≯25 kg/m2，约为总用钢量的一半；支撑系统用钢量约为8 kg/m2，围护系统用钢量约为8～10 kg/m2；排水天沟和吊车梁系统的用钢量约为10 kg/m2左右。总之，轻钢房屋设计的用钢量应在主要方向上把握好，在各设计细节上下功夫，必将能够达到钢材节约的效果。