序言：

　　近年来，随着我国国民经济的高速发展，钢材产量的不断提高，摆在日程上的课题早已不是少用钢材，而是积极合理的扩大钢结构在建筑中应用。随着《中国建筑技术》（1996-2010）的公布和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:98的编制出版，门式刚架轻型房屋钢结构因其跨度大、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、工业化程度高、外形美观等一系列优点而得到迅速发展，在轻工业厂房、仓库、冷风库，交易市场等各类建筑结构中得到广泛应用。本文拟在对比同一刚架在不同结构形式下的主材用量的经济性，以及施工的方便性，力求以工作中的经验能对实际工程的设计有所帮助。

一、门式刚架的结构形式：

　　门式刚架作为一种结构形式，用途越来越广泛，对门式刚架钢结构房屋进行结构优化设计使其达到标准化、规范化、通用化、经济化势在必行。门式刚架的用钢量主要与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能、抗震等级等条件有关，其结构形式多种多样，在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:98中规定其结构形式主要分为单跨、双跨、多跨刚架及带挑檐和带毗屋的刚架等形式

　　刚架柱的柱脚与基础通常做成铰接，多跨刚架的中柱多采用摇摆柱，但当柱高度较大及为控制水平荷载作用下柱顶位移值时，柱脚可考虑做成刚接，多跨刚架的中柱与横梁的连接也宜采用刚接。而仅当屋面荷载较大时，为控制刚架梁的挠度，多跨刚架的中柱与横梁的连接宜采用刚接。

二、两种不同结构形式的对比：

　　为了便于比较，同时具有一定的参考性，笔者以烟台保税区一实际工程举例说明两种结构形式下刚架主材用量的经济指标及施工的方便性。其结构形式如下图所示：

 

方案一

 

方案二

　　工程概况：本工程位于烟台市保税区，建筑物长45.2m,宽48m，檐高7.1m,无吊顶、吊挂荷载，无吊车荷载，坎墙1.2m，门窗暂不考虑，屋面考虑双坡，可以避免内天沟漏水和保温不佳的弊病；由于单坡坡度较长，需设采光带，有组织排水，屋面、墙面围护均为50mm轻质玻璃棉保温夹芯板。
　　结构方案的确定：本工程钢材型号均选用Q235B，按烟台地区50年一遇的风荷载（0.55kN/m?）,雪荷载（0.40 kN/m?），根据以往的工程经验，尽管门式刚架的跨度和柱距一般由建设单位的场地大小、工艺、投资情况等条件决定，但刚架的跨度和柱距确实存在一个经济尺寸的范围，适当加大跨度不会导致用钢量的显著上升，但可节省空间，提高综合效益，而在跨度、荷载确定的条件下，选用合理的柱距，对降低整个工程的造价及增加设计单位的投标成功率有着不可低估的影响。本工程中合理经济柱距确定为6.3m，（因为当柱距继续加大时，檩条的用钢量会显著增加）檩条间距为1.5m,檩条选用C160x60x20x2.5。双跨双坡，为了增加使用空间，中柱设一道支撑；边柱设上下二道支撑，但需设刚性系杆，以使刚架柱的计算长度成倍减少,大大降低含钢量。
　　方案一：采用中国科学研究院的PKPM-STS钢结构软件进行设计，跨度48m,屋面坡度8%，该方案柱脚全部铰接，中柱与刚架横梁铰接，刚架截面尺寸及经济性如下表所示：

杆件序号	截面型号	平面外计算长度	刚架梁挠度	刚架梁分段比	刚架含钢量 (kg)
①	H600x180x6x6	3000	117.7	5:12:7	3671.9
②	H600x180x6x8	3000
③	H(600-950)x180x6x10	3000
④	H(250-400)x180x6x8	3550
⑤	H250x220x6x6	7100

　　方案二：采用中国科学研究院的PKPM-STS钢结构软件进行设计，跨度48m,屋面坡度8%，该方案柱脚全部铰接，中柱与刚架横梁刚接，刚架截面尺寸及经济性如下表所示：

杆件序号	截面型号	平面外计算长度	刚架梁挠度	刚架梁分段比	刚架含钢量 (kg)
①	H(550-420)x180x6x8	3000	108.1	5:12:7	3697.6
②	H420x180x6x6	3000
③	H(420-1100)x180x6x8	3000
④	H(250-600)x180x6x8	3550
⑤	H(250-620)x300x6x8	7100

中柱与刚架横梁铰接（方案一）

 

中柱与刚架横梁刚接（方案二）

刚架应力图（方案一）

刚架应力图（方案二）

　　应力图说明：柱左：上、下翼缘、腹板三者应力比中最大者

右上：平面内稳定应力（对应长细比）

右下：平面外稳定应力（对应长细比）

梁上：上、下翼缘、腹板三者应力比中最大者

左下：平面内稳定应力（对应长细比）

右下：平面外稳定应力（对应长细比）

　　综上所述，这两种方案刚架的主材用钢量基本相同，但从施工的角度来看，方案一中柱与钢梁铰接这种方案明显优于方案二（节点见上图），且从两者应力图中也能看出，方案一的内力还有一定的储备，这也与规程中提供的结构模型相吻合。所以对于荷载不大的一般钢结构厂房已优先采用方案一这种结构形式，但我们也可看到，方案二中钢架的挠度要小于方案一，且钢梁的断面尺寸也相对较小，建筑造型也比较美观，因此仅当屋面荷载较大时，为控制刚架梁的挠度,多跨刚架的中柱与横梁的连接则宜采用刚接。

三、结语：

　　门式刚架通过近几年的开发和应用已具备较完善的体系，各种计算机钢结构设计软件的功能也逐渐成熟，使轻钢结构能随工程实际迅速，准确的报价、出图，避免了传统设计制图方式在工程投标竞争中不利影响，也使轻型钢结构在设计、制图、加工和安装过程中更具规模和系统化。本文亦在通过对两种结构形式的分析，使大家对门式刚架的结构形式有更深的了解，以期在今后的设计中减少试算次数，提高设计速度和质量。

主要参考文献：

1.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:98 

中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会

中国建筑标准设计研究所

2.《钢结构设计规范》GBJ 17-88

中华人民共和国冶金工业部

中国计划出版社

3.《建筑结构荷载规范》GB50009-2001

中国建筑工业出版社出版

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