发布时间：2024-01-17

内容：近年来，我国为建设和谐社会、创新区域发展模式、提升区域乃至国家竞争力，通过选择一批有特点和有代表性的区域设立了综合配套改革试验区，随着综改区的落地，大量工业厂房需求日益增多，其中由于轻型门式刚架结构适用于较大跨度的单层房屋建筑，且钢结构具有强度高，可拆卸利用率较高，对环境污染小；施工速度快，有助建筑产业化发展等众多优势，使得其在工业建筑中被广泛使用。随着轻型门式刚架的迅速发展，对其进行优化设计，降低生产成本，节约资源，提高经济效益，刻不容缓。

在满足规范和结构安全的基础上，通过对轻型门式刚架的合理优化设计，降低建筑结构含钢量，具有很高的经济效益，同时对设计人员的专业水平及项目的经济效益有较大的提高，从而产生较好的社会反响。

1.轻型门式刚架构造原理与受力体系

轻型门式刚架由横向主体刚架与纵向受力体系组成。横向刚架承受自身平面内各种荷载并将其作用传递到基础上去，刚架外方向的荷载有支撑体系承受；与横向刚架垂直方向的支撑体系由屋面横向水平支撑和柱间支撑共同组成，承受所有纵向的各种荷载，如风力、吊车制动力、地震荷载等，其传力路径为：建筑的端部山墙面直接承受纵向风力作用，山墙面的抗风柱承受由墙梁（檩）传来的水平力，由自身的抗弯将山墙面一半的纵向荷载直接传给柱底基础，另一半荷载传到柱顶，由屋面交叉支撑形成的横向水平支撑（桁架）承受，由横向水平支撑（桁架）传给柱间支撑，再传到基础上。

2.轻型门式刚架的优化因素

门式刚架的含钢量主要由以下部分组成：主钢架（钢梁+钢柱）、支撑、檩条、吊车梁及轨道；其中主钢架含钢量约45%~55%、支撑含钢量约10%~15%、檩条含钢量约10%~15%、吊车梁及轨道含钢量约15%~20%。

影响轻型门式刚架优化的因素有很多，如结构选型、材质选择、截面优化、支撑的合理布置、屋面恒载和柱脚形式等。

结构选型包括合理选择柱距、跨度、屋面坡度等；据相关资料统计，门式刚架柱距一般宜取6~9m为宜，跨度宜采用9~36m，屋面坡度一般以5%~10%为宜。

材质选择要满足实际项目需求，轻型门式刚架工程中常用材质有Q235B与Q355B；需结合结构实际情况合理选择材质，如果结构为强度控制，则优先选用Q355B，若结构主要为构造，比如长细比指标控制，则优先选择Q235B更经济。

截面优化包括调整梁柱构件腹板、翼缘的尺寸、规格等参数，在满足梁平面内、外稳定应力比及长细比规定的条件下对结构进行优化。

支撑的合理布置是一个经常被大家忽视的问题，我们在设计中一般都会将屋面支撑和柱间支撑布置在一个柱跨内，且有屋面支撑的竖向柱跨内都会设柱间支撑；实际上他们的角色是截然不同的，要单独分析来进行合理布置，屋面支撑主要是分担和传递风荷载，而柱间支撑主要由温度应力控制，依据规范，当无吊车时，柱间支撑宜取30~45m设置，当有吊车时，应设置在温度区段三分点内，且支撑柱距不应大于50m，当房屋宽度大于60m时，内柱列可不设柱间支撑。由此可见，有屋面支撑的柱跨内一定条件下可不布置柱间支撑，从而对支撑含钢量有一定的优化。

本文依托具体项目，通过分析轻型门式刚架厂房设计中屋面恒载（天窗、光伏）和柱脚形式等因素对含钢量的影响规律，总结同等项目条件下轻型门式刚架厂房的优化思路，降低建造成本，从设计角度为轻型门式刚架结构的综合经济效益和应用推广提供有力的依据和保障。

3.屋面恒载和柱脚形式对轻型门式刚架的优化

本工程为单层轻型门式刚架结构，柱距跨度为22.5mx2.0m，纵向长度为7.5mx12.0m。单榀轻型门式刚架示意见下图1。

3.1天窗荷载对轻型门式刚架含钢量的影响

为厂房通风散热和采光，厂房内部生产作业的时候，会设置天窗，安装天窗之后，室内的热气可以通过窗口排出室内，从而降低室内温度，提高工作环境的质量；同时天窗能使阳光能很好地进入室内，从而提高室内照明，使厂房更加明亮。但天窗的设置对厂房整体含钢量的提高幅度会有怎样的影响，值得我们考虑和思考，以下我们通过实际工程的设计对比来分析它的实际影响程度。

檐口高度为10.9m（带5t吊车）轻型门式刚架厂房设计中，每跨布置两台吊车，共四台，工作级别为A3，恒荷载取0.5（其中包括0.2光伏荷载），活荷载取0.5KN/㎡，带天窗进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为10.8t，如图2所示

不带天窗进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为7.49t，如图3所示。

经过计算可知檐口高度为10.9m（带5t吊车）轻型门式刚架厂房设计中不带天窗的轻型门式刚架标准榀每榀钢架含钢量在原基础上降低了30.6%，在门式刚架总体含钢量上降低了约15%。

综上所述，在本项目限定条件内，是否在轻型门式刚架厂房屋面设置天窗对厂房整体含钢量的影响是比较明显的。

3.2光伏荷载对轻型门式刚架含钢量的影响

随着工业化厂房的普及，光伏屋面厂房也在不断地推广和发展，光伏是将太阳能直接转换为电能的技术。企业利用建筑屋面的优势、建立光伏屋面安全可靠、无噪声、无污染，不仅起到了发电的功效，还增加了建筑的美感，并为企业创造效益。但光伏的设置对厂房整体含钢量的提高幅度会有怎样的影响，值得我们考虑和思考，以下我们通过实际工程的设计对比来分析它的实际影响程度。

檐口高度为10.9m（带5t吊车）轻型门式刚架厂房设计中，每跨布置两台吊车，共四台，工作级别为A3，恒荷载取0.5（其中包括0.2光伏荷载），活荷载取0.5KN/㎡，不带天窗，屋面设光伏进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为7.49t，如图4所示

屋面不设光伏进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为6.675t，如图5所示。

经过计算可知檐口高度为10.9m（带5t吊车）轻型门式刚架厂房设计中屋面不设光伏的轻型门式刚架标准榀每榀钢架含钢量在原基础上降低了10.9%，在门式刚架总体含钢量上降低了约5%。

檐口高度为7.5m（无吊车）轻型门式刚架厂房设计中，恒荷载取0.5（其中包括0.2光伏荷载），活荷载取0.5KN/㎡，不带天窗，屋面设光伏进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为5.949t，如图6所示

屋面不设光伏进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为5.132t，如图7所示。

经过计算可知檐口高度为7.5m（无吊车）轻型门式刚架厂房设计中屋面不设光伏的轻型门式刚架标准榀每榀钢架含钢量在原基础上降低了13.7%，在门式刚架总体含钢量上降低了约5%。同时光伏荷载对檩条的选取也有很大影响。

综上所述，在本项目限定条件内，是否在轻型门式刚架厂房屋面设置光伏对厂房整体含钢量有一定的影响；且与厂房的高度呈现出负相关趋势。

3.3刚架柱脚形式对轻型门式刚架含钢量的影响

在没有吊车的工业厂房设计中，柱脚形式可以做成铰接和刚接两种。但柱脚形式的改变对厂房整体含钢量的提高幅度会有怎样的影响，值得我们考虑和思考，以下我们通过实际工程的设计对比来分析它的实际影响程度。

檐口高度为7.5m（无吊车）轻型门式刚架厂房设计中，恒荷载取0.5（其中包括0.2光伏荷载），活荷载取0.5KN/㎡，不带天窗，屋面设光伏进行设计计算，钢柱柱脚采用铰接形式，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为6.014t，如图8所示

钢柱柱脚采用刚接形式进行设计计算，标准榀每榀钢架（钢梁与钢柱之和）总重为5.578t，如图9所示。

经过计算可知檐口高度为7.5m（无吊车）轻型门式刚架厂房设计中钢柱柱脚采用刚接形式的轻型门式刚架标准榀每榀钢架含钢量比采用铰接形式降低了7.25%，在门式刚架总体含钢量上降低了约2.5%。

综上所述，在本项目限定条件内，柱脚形式对刚架含钢量的变化有较小影响。

4.结 论

本文概述了结构选型、材质选择、截面优化、支撑的合理布置对轻型门式刚架结构含钢量的优化思路，依托实际工程项目，通过对檐口高度为10.9m（带5t吊车）轻型门式刚架厂房与檐口高度为7.5m（无吊车）轻型门式刚架厂房屋面恒载和柱脚形式对结构含钢量的分析总结，为同类项目设计提供一定的含钢量优化经验。

(1)在本项目限定条件内，天窗荷载的设置对轻型门式刚架厂房整体含钢量的影响是比较明显的；标准榀含钢量变化可达到30%，在门式刚架总体含钢量上降低了约15%。

(2)在本项目限定条件内，光伏荷载的设置对轻型门式刚架厂房整体含钢量有一定的影响；且与厂房的高度呈现出负相关趋势；标准榀含钢量变化在10%，在门式刚架总体含钢量上降低了约5%。

(3)在本项目限定条件内，柱脚形式对刚架含钢量的变化有较小影响；标准榀含钢量变化在5%，在门式刚架总体含钢量上降低了约2.5%。

(4)在本项目限定条件内，由以上数据，我们可以得到影响含钢量的优先级别为天窗荷载＞光伏荷载＞柱脚形式。