门式钢架跨度与柱间距的优化选择

门式钢架跨度与柱间距的优化选择

轻型钢结构是国内外目前应用和发展速度最快的新型结构形式，广泛应用于工业、居住和公共建筑，具有施工速度快、建筑造型美观、钢材用量少、造价低廉等优势，而门式钢架结构体系作为轻型钢结构的一种结构形式，本人结合近几年的设计经验阐述以下门式钢架合理跨度与柱间距合理化选择。

一、合理跨度的确定      

不同的生产工艺流程和使用功能在很大程度上决定着厂房跨度，有的业主甚至要求轻钢生产厂家根据自己的使用功能，确定跨度。这是很不经济的选择，希望业主再告诉设计人员（特别是钢结构厂家的设计人员）使用功能时让他推荐你使用多大跨度在尽可能满足生产工艺和使用功能上最为经济，一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，钢架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。

通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，

跨度 30M～35M之间的钢架单位用钢量（Q345B）为15～20kg/ m2，

当跨度在24-30m之间的钢架单位用钢量为13～18kg/ m2，

当跨度在18～24m之间的钢架单位用钢量为10~15kg/ m2。

当跨度大于35m用钢量为大于20kg/ m2明显不经济，

一般工艺流程都在35M以内，如果真需要大于35米的跨度中间应增加摇摆柱可使单跨钢架节约8%左右。如果跨度小于18M单位用钢量没有很明显的变化并且还有逐渐增加的趋势。因此设计门式钢架时应根据具体要求选择较为经济的跨度，不宜盲目追求大跨度或过小跨度。

         

         

二、钢架最优间距的确定

钢架的间距与钢架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，当钢架跨度较小时，选用较大的间距，会增加檩条的用钢量是不经济的。钢架规范规定，钢架柱距宜为6m，7.5m，9m，最大可采用12m。经过大量计算发现，如果是大型厂房柱间距7.5M最为可佳，如果一般小型厂房6～6.5米最为经济。在设计当中不要过于追求主钢构单位用量较低，如果只追求用钢量随着柱距的增大，钢架的单位用钢量是逐渐下降的话，而对于其他结构如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。当柱距增大到一定数值后，钢架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，因此，在一定条件下，门式钢架存在着一定最优间距，下表列出在一般情况下不同跨度所对应的最优间距：

跨度（M）  柱间距（M）

9～18M     6～8.0m ;

18～36m    6～9m ;

36以上     8～12m .

综上所述，一般情况下，门式钢架的间距应在6—9m之间，超过9m时，屋面檩条与墙架体系的用钢量增加过多，从而使综合造价过于偏高。

轻型门式钢架结构具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，在工业厂房中得到较为广泛的应用 ，门式钢架结构采用最佳的跨度和合理的柱间距不仅可以降低工程造价而且还利于加工方便，还可以大大提高设计效率，加快工程进度．为厂房建设取得较显著的社会效益。

         

         

门式钢架柱间支撑设计要点

门式钢架的柱间支撑是保证门刚厂房空间稳定的一个重要组成部分，设计师在进行设计时要注意以下几点：

1、厂房的每个单元的每一柱列，均应设柱间支撑，且边柱与中柱柱列应在同一开间内。

2、有吊车时，柱间支撑应在牛腿上下分别设置上柱支撑和下柱支撑。

3、当抗震设防烈度为8度或有桥式吊车时，厂房单元两端开间内宜设置上柱支撑。

4、厂房各列柱的柱顶，应设置通长的水平系杆。

5、柱间支撑的形式主要有十字形、人字形和门形等。十字形支撑传力简单直接，构造简单，刚度大，是应用较多的一种形式；人字形和门形主要用于柱距较大或由于建筑功能限值不能使用十字形支撑的情况。

6、十字形支撑的设计，一般仅按受拉杆件进行设计，不考虑压杆的工作。在布置时，其倾角一般按35°~55°考虑。

7、柱截面高度小于800mm时，一般多是沿柱子中心线设置单片支撑。其截面形式多为圆钢、单角钢、双角钢组成的T形或两槽钢组成的工字钢截面。有吊车时，一般用后两种截面。

8、柱间支撑的截面大小可由计算确定，并验算其长细比，对于荷载不大的情况，一般由长细比控制。

9、山墙风荷载由独立温度区段的所有柱间支撑承担，计算，可按柱列求得，然后再平均分配到每道柱间支撑，分层时可分别求出。

10、吊车的纵向制动力由下柱柱间支撑承担。可按《建筑结构荷载规范》规定计算。

11、纵向地震作用计算可按柱列法进行，计算按2个质点考虑。

12、纵向地震作用不与山墙风荷载和吊车的纵向制动力同时组合。

         

         

         

         

         

         

         

         

         

大跨度钢结构选型评价

大跨度钢结构选型的过程中，考虑的因素多且复杂，单独考虑某一因素，都将导致选型影响因素在少数方面过分聚集而使整体性能变差。但是，若不分主次地考虑所有因素，将限制决策，并且分散对真正大跨度空间结构选型问题的注意力。

陆赐麟教授在《钢结构》2009年第12期的《用科学标准促进钢结构行业健康发展》一文中提出，专业知识是科学标准的依据，结构体系的正确性与资源效益的最大化程度成正比，结构体系的优秀性与 “g/p” 成反比，一般是：

优秀设计：g/p=0.2~0.35；

平庸设计：g/p=0.4~0.55；

拙劣设计：g/p=0.6~0.70；

式中g为结构自重，p为荷载总重（包含结构自重）。可见优秀的设计是以最经济的结构体系实现既定的使用功能。

王力等在《大跨度空间结构选型的因素体系模型》一文中提出了影响大跨度空间结构选型方案评价的四个目标级影响因素，即建筑功能因素、受力性能因素、经济性能因素、施工可行性因素。

这四个相互依赖的目标级影响因素，既综合反映了大跨度空间结构选型多变量系统统一协调的内容特征，又体现了安全适用、技术先进、施工可行、经济有效及美观的一般工程结构设计原则。

         

         

         

         

         

         

         

         

         

         

         

         

         

         

大跨度钢结构常用节点形式

在我国大跨度建筑结构的发展过程中，根据不同构件的连接需要及受力特点，研制开发了几十种节点。在这些节点中，有些节点则是因为研发出来的时间不长，没有机会接受时间的检验而尚未应用于实际工程，但是各种节点形式都对空间的发展起到一定的推动作用。

节点形式一：焊接板节点

节点构成：

我国大跨度建筑结构史上最早出现的节点形式。节点构成简洁明了，就是将构件焊接到十字板上，该节点既适用于轻型构件连接，又可以用钢管构件连接。但容易因构件偏心产生弯矩，不过节点本身具备一定的抗弯能力。

节点形式二：焊接空心球节点

节点构成：

一种将构件直接焊接到闭合的球形壳体上形成的节点。在单层网壳中，焊接空心球上连接构件的端部除承受轴力外，尚有弯矩、扭矩、及剪力作用。构件轴力由球壳承受，对于受压为主的空心球节点，其破坏机理一般属于壳体稳定问题；以受拉为主的空心球节点，其破坏机理则属于强度破坏问题。

节点形式三：螺栓球节点

节点构成：

由高强度螺栓将钢管杆件与钢球连接而成，在构造上比较接近铰接计算模型，适用于双层网壳中钢管杆件的连接。螺栓球节点所连杆件的轴向压力主要靠套筒断面承压来传递，螺栓主要起连接作用；杆件轴向拉力则由高强螺栓传递。

         

节点形式四：螺栓板节点

节点构成：

一种半预制的节点。将一部分杆件预先焊接到上盖板上，到现场用螺栓将其它杆件和下盖板连接到一起，该节点传力路径明确，力线汇交于一点，能够很好地符合计算模型。与焊接板节点相比，没有现场焊接工作，只需拧螺栓，有利于提高施工进度和质量。

节点形式五：组合节点

节点构成：

主要部件是弦杆盘、腹杆盘、螺栓、销轴和销钉。组合节点的特点就是能使空间杆件的轴线交汇于弦杆盘中点，不产生偏心。组合节点的关键零件是销轴，与节点相连的杆件轴力均由销轴传递，节点构造复杂。

节点形式六：方钢管相贯节点

节点构成：

节点连接的各个方向的构件轴心均汇交于一点，即力线汇交，节点主要传递各个方向不平衡的内力，有一定的抗弯能力。若构件过多，将使节点构造比较复杂，且不适宜在弧形屋面采用。

节点形式七：圆钢管相贯节点

节点构成：

构件直接汇交于节点，连接简单并节省材料，但是构件端部加工较复杂，节点处受力状态较复杂。

有两种相贯结合方式：

其一：弦杆完整，腹杆端部加工成相贯面后，吻合焊接在弦杆的管壁上；

其二：弦杆和腹杆均加工出相贯面后焊接到一起。相贯节点因外观美观，在大跨度结构中应用较多。

节点形式八：焊接圆管节点

节点构成：

焊接空心球节点的一种变化形式，以一小段钢管来代替空心球。这种节点构件端部加工比焊接空心球节点复杂，但焊缝较长，有利于受力，节点生产比较容易。在钢管的两端可以设加劲肋以提高承载力。

节点形式九：铸钢节点

节点构成：

在我国建筑行业的起步较晚，但是由于铸钢节点适合于造型复杂的节点，并且可以避免节点处因反复焊接产生很大的初应力，所以发展很快。近年来，我国的许多体育场馆，展览馆等城市标志性建筑均采用铸钢节点。

除上述节点形式外，常用的节点形式还有冲压板节点、叠合节点等，这些节点造就了现代大跨度空间结构节点形式的多样化