某单层钢结构厂房结构方案的优化分析
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作者: 刘耀文 庄桂香
[摘 要] 以青岛某单层轻型门式刚架厂房为背景，针对四种不同的结构方案进行对比分析，通过PKPM结构计算软件对四种结构方案进行了计算，探讨了柱脚连接形式、梁截面形式对钢结构厂房结构的挠度、侧移的影响，并比较了不同结构方案的综合经济效益，还对屋面坡度取值范围进行了分析。研究结果表明：不带吊车的单层厂房优选需用铰接柱脚；跨度较大时，刚架梁选用变截面可以取得较好的经济性。本文的研究内容可为同类工程的设计提供有益参考。
[关键词] 单层门式刚架 柱脚连接 梁截面形式 屋面坡度 经济效益
[Abstract] Based on one single story light-weight portal frame factory building in Qingdao, four different structural schemes were discussed，and the modals were calculated by PKPM structure calculation software. The influence of column base and forms of beam section to the deformation and lateral displacement of the steel structure were compared. Moreover, the overall economic efficiency and the range of the roof gradient of the structure were analyzed. The research results showed that hinged column base was the optimization for a single-story workshop without crane, and when the span was large, variable cross-section beam could achieve good economic. This article could serve as a beneficial reference for the similar engineering design.
[Keywords] single story light-weight portal frame column base forms of beam section roofing slope economic benefit
1、概述
轻型门式刚架由于柱网布置灵活、自重轻、工业化程度高、综合经济效益高等优点已被广泛的用作轻型单层工业厂房的主要承重骨架[1-3]。在轻型门式刚架结构设计中,柱脚设计、梁截面的选择、屋面坡度等是设计的重要环节，本文以青岛某单层轻型门式钢结构厂房为背景，通过对柱脚连接、梁截面形式、屋面坡度对厂房结构变形挠度、侧移影响的分析，确定出结构的最佳结构方案。
工程概况：该工程位于青岛即墨市，采用双跨中间摇摆柱轻型门式刚架结构，柱高6.0m，跨度18m，柱距8m，抗震设防烈度按6度，设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为二组，基本风压为0.6kN/m2，基本雪压为0.2kN/m2，刚架活荷载标准值为0.3kN/m2，檩条活荷载标准值为0.5kN/m2。
2、结构方案选择
为了研究柱脚形式、梁截面形式对结构挠度或侧向刚度的影响，分别建立了四种结构模型，模型1：柱脚为平板铰接柱脚，梁截面为等截面；模型2：柱脚为刚接柱脚，梁截面为等截面；模型3：柱脚为平板铰接柱脚，梁截面为变截面；模型4:柱脚为刚接柱脚,梁截面为变截面。结构方案形式见表1。
框架柱高H=6m，跨度L=18m，变截面梁按比例3:4:3取值L1=5.4m，L2=7.2m，L3=5.4m，钢梁坡度i=8%，矢高f=1.44m。不包括结构自重的永久荷载标准值q=2.4kN/m。按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)第3.2.2条规定,对受荷水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3kN/m2,本工程受荷水平投影面积为18×8=144m2＞60m2，所以屋面活荷载取为0.3kN/m2。结构形式计算简图见图2。
（ａ）模型１计算简图 （ｂ）模型２计算简图
（c）模型3计算简图 （ｄ）模型４计算简图
图2 结构形式计算简图
3、结构方案分析
采用中国建筑科学研究院编制的PKPM的STS模块对该结构建模，按平面结构体系进行分析。梁柱截面尺寸见表2，钢材采用Q235B。
3.1荷载组合
本工程的门式刚架结构，承载能力极限状态计算时，考虑了3种荷载组合，分别为：
（1）1.2×恒载+1.4×活载；
（2）1.0×恒载+1.4×风荷载；
（3）1.2×恒载+0.9×(1.4×活载+1.4×风荷载);
对结构的正常使用承载状态进行计算时，选用荷载的标准组合。
3.2 模型计算
钢架设计时，因为门式刚架的梁、柱连接不可能是完全刚性的，连接节点会发生一定的塑性变形，从而导致刚架内力的重分配，梁端应力降低，梁跨中应力升高，跨中的富裕大一些[4-5]，所以钢梁的应力比在端部控制在0.9左右，跨中应力比控制在0.8左右。在STS中对门式刚架计算时，按平面单元对结构进行了弹性内力分析，不考虑力蒙皮效应。
图3模型1应力比计算结果图4模型2应力比计算结果
图5模型3应力比计算结果图6模型4应力比计算结果
3.3侧移计算
模型1和模型2为等截面的门式刚架，柱顶侧移的计算是采用的结构力学的方法，计算结果见表3。
模型3和模型4为变截面门式刚架，柱顶侧移分别采用下列公式计算
柱脚铰接：
柱脚刚接:
式中 ――刚架柱与横梁的线刚度比值；
h、L――刚架柱的高度和刚架横梁的跨度；
Ic,Ib――刚架柱和横梁的平均弯矩；
H――刚架柱顶的等效水平力，水平均布风荷载作用时，当计算刚架沿柱高度均匀分布的水平风荷载作用下的侧移时，柱顶等效水平力H可取：
柱脚铰接，H=0.67W
柱脚刚接，H=0.45W
W=()h
式中 W――均布风荷载的合力；
――刚架两侧承受的沿柱高均布的水平荷载。
计算结果见表3。
3.4对比分析
对模型1~模型4进行比较分析，结果见表3。
对比模型1与2，模型3与4讨论柱脚连接的选择。在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接是不可能的，应该是一种半刚接半铰接的状态[6-8]。柱脚的区别主要在于对侧移的控制，由于本工程对侧移的控制不是绝对严格，况且从表3中得出铰接侧移相对于刚接侧移相差不大，加之从施工方面考虑铰接柱脚施工方便简单易于实现，且造价相对低廉。综合上述因素本工程采用的是铰接柱脚。
对比模型1与3，模型2与4讨论梁截面形式的选择，从表3看出变截面梁由于自重变轻跨中弯矩明显减小，顺应了弯矩的变化，同时还提高了钢梁的利用率、节约钢材、降低成本。通过上述比对因素，本工程中梁截面采取了变截面。在实际工程中除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化：上下翼缘可用不同截面；相邻单元的翼缘也可采用不同截面。因此，影响整个刚架用钢量的因素有上下翼缘的宽度、厚度 腹板的厚度及构件大头、小头高度。而这些因素之间也互相影响，互不独立。
4、屋面坡度分析
在轻钢门式刚架设计中，屋面排水坡度也是一项重要设计内容。规范推荐的门式刚架屋面排水坡度的取值为1/20~1/8[9]。排水坡度受当地最大降雨量、压型钢板的肋高、压型钢板的固定形式、单坡长度、屋面钢板是否通长等因素有关。当轻型屋面板采用暗扣板，也称不打钉板，例如美国立缝系列，美国锁缝系列屋面板，除了在搭接处和板端打钉外，板侧不打钉，此类屋面板的排水坡度可以取到1/36。但是对于一般的打钉板，如国内的820、850、900型压型钢板，夹芯板等，最小坡度应大于1/12，否则容易引起屋面漏水。当然，坡度较大时，排水较为有利，但是会增加用钢量。本工程的屋面坡度设计综合考虑建筑、排水和经济等因素，并根据青岛地区的降雨量，屋面排水坡度取1/10，屋面采用YX28-150-900-0.6型压型钢板，压型钢板通过自攻螺丝和檩条相连。
5、经济效益分析
建设单位追求的目标是建筑美观、建设投资少、建设周期短、尽快投资以便获得最大利润。为了满足建设单位的要求，本工程采用了双跨门式刚架为承重结构。由于围护材料的自重轻，从而极大地降低了承重结构上作用的荷载，使承重结构的内力大大降低，用材随之减少，也使基础的内力相应减少，降低了基础的造价。同时变截面梁的选取也大大提高了钢材的利用率，节约了用钢量，降低了成本。
6、结论
通过对某单层轻型门式刚架钢结构厂房四种结构方案的比对分析,得出以下结论：
1）平板铰接柱脚施工方便，且造价相对低廉，不带吊车的单层厂房优选需用平板铰接柱脚。
2）跨度较大时，刚架梁选用变截面可以取得较好的经济性;
3）屋面排水坡度受水坡度受当地最大降雨量、压型钢板的肋高、压型钢板的固定形式、单坡长度、屋面钢板是否通长等因素影响，1/10的屋面坡度很好的解决了本工程中屋面排水坡度和经济性矛盾。
参考文献：
[1]陈绍蕃，顾强.钢结构.中国建筑工业出版社，2009.
[2]陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社,2008.
[3]王燕、李军、刁延松.钢结构设计.中国建筑工业出版社，2009.
[4]刘秀丽, 王燕. 端板连接节点对门式刚架整体性能的影响分析.青岛理工大学学报，2007,28（2）
[5]翟煜.门刚结构设计中的体会.工程设计与研究, 2005,3.
[6] 陈绍蕃. 平板柱脚的转动刚度和柱的计算长度.建筑钢结构进展,2009,11(1).
[7]徐岩峰，吴春华．门式钢架轻型房屋钢结构设计的探索．林业科技情报，2009, 2.
[8]金波, 童根树. 埋入式钢柱脚的传力分析和设计计算. 工业建筑，2008,38（7）.
[9]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS 102: 2002. 中国计划出版社.
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