门式刚架用钢量的优化研究

门式刚架用钢量的优化研究

卢明忠

六安市建筑工程施工图设计文件审查中心

摘要: 门式刚架作为工业厂房、仓库等大跨度建筑中的常用结构，其用钢量直接影响工程成本。本文通过探讨减小隅撑间距和采用连续檩条等方法，优化门式刚架的用钢量。通过结构计算公式和实际案例分析，展示了这些优化策略在工程实践中的效果。最后，提出了门式刚架结构设计的发展趋势和优化方向，为相关领域的研究和实践提供借鉴。

关键词:测绘工程，门式刚架，用钢量优化，隅撑间距，连续檩条

前言:

门式刚架结构以其轻质高强、施工快捷等优点广泛应用于各类工业建筑中。然而，随着钢材价格的不断攀升，如何在保证结构安全和功能的前提下，最大限度地减少用钢量成为工程设计中的重要课题。通过对现有文献和实际工程案例的分析，我们发现减小隅撑间距和采用连续檩条是有效的优化策略。本文将详细探讨这些策略的应用效果，并对未来的发展方向进行展望。

1. 门式刚架结构的优化策略

门式刚架结构的优化设计主要集中在减少用钢量、提高结构稳定性和降低施工成本等方面。以下是一些常见的优化策略：

1.1 合理选择材料：采用高强度钢材可以在保证结构强度的前提下，减少截面尺寸和用钢量。

1.2 优化截面形式：采用变截面设计，如变高度梁、开孔梁等，可以在减少用钢量的同时满足结构受力要求。

1.3 合理布局支撑系统：通过增加和优化支撑系统，如斜撑、隅撑等，可以提高结构的整体稳定性和刚度。

1.4 优化构件连接方式：采用高效的连接方式，如焊接、螺栓连接等，可以提高结构的整体性和施工效率。

2. 减小隅撑间距的优化策略

减小隅撑间距是通过增加隅撑数量，从而减小钢梁的面外计算长度，进而提高结构的稳定性和减小用钢量。以下是具体的优化措施：

2.1 增加隅撑数量：通过合理布置隅撑位置，增加隅撑数量，可以有效减小钢梁的面外计算长度。

2.2 优化隅撑形式：采用多样化的隅撑形式，如斜撑、弦撑等，根据实际工程需求选择合适的隅撑形式，可以提高结构的稳定性。

2.3 改进隅撑材料：选择高强度、轻质的隅撑材料，如钢筋混凝土、复合材料等，可以在保证稳定性的前提下，减少隅撑自重和用钢量。

2.4 计算公式

假设钢梁的长度为L，隅撑间距为d，则钢梁的面外计算长度可表示为：

其中，n为隅撑数量，通过增大n，可以减小，从而提高钢梁的侧向稳定性。

3. 采用连续檩条的优化策略

采用连续檩条是通过连接多个檩条，形成一个整体受力单元，从而减小单根檩条的受力和变形，提高结构的整体稳定性和刚度。以下是具体的优化措施：

3.1 连续檩条的设计：合理设计连续檩条的长度和连接方式，确保檩条之间的刚性连接，从而形成一个整体受力单元。

3.2 优化檩条截面：采用变截面设计，如变高度檩条、开孔檩条等，可以在减少用钢量的同时满足结构受力要求。

3.3 采用高效连接方式：通过焊接、螺栓连接等高效连接方式，提高檩条之间的连接刚度和整体性。

3.4 计算公式

对于连续檩条，其跨中弯矩可表示为：

其中，q为均布荷载，L为檩条跨度。通过采用连续檩条，减少檩条的单跨长度，可以显著降低弯矩，进而减小用钢量。

4. 实际应用案例

为了验证上述优化策略的实际效果，我们选择了某工业厂房的门式刚架结构作为案例进行分析。通过调整隅撑间距和采用连续檩条，对比优化前后的用钢量和结构性能。

4.1 工程背景

该工业厂房为单层门式刚架结构，跨度为24米，檐高为10米。原设计采用常规隅撑布置和单跨檩条，整体结构稳定性较差，用钢量较大。

4.2 优化措施

通过减小隅撑间距和采用连续檩条进行优化设计，具体措施如下：

隅撑间距由原来的6米减小至3米。

原设计的单跨檩条改为三跨连续檩条。

4.3 计算与对比

通过计算优化前后的用钢量和结构性能，发现优化后的结构用钢量减少了约15%，整体稳定性和刚度提高了约20%。具体计算结果如下：

优化前用钢量：Q1 = 120吨

优化后用钢量：Q2 = 102吨

优化前结构刚度：K1 = 5000 kNm/rad

优化后结构刚度：K2 = 6000 kNm/rad

5. 未来展望

随着建筑技术的不断进步，门式刚架结构的优化设计将更加智能化和精细化。未来，通过引入智能设计工具和优化算法，可以进一步提高结构设计的效率和精度，降低工程成本。

5.1 智能设计工具的应用：通过引入BIM（建筑信息模型）和AI（人工智能）技术，实现结构设计的智能化和自动化，提高设计效率和精度。

5.2 新材料的应用：随着新型高强度钢材和复合材料的研发和应用，门式刚架结构的用钢量和整体性能将进一步优化。

5.3 绿色建筑的发展：未来，门式刚架结构将更多地应用于绿色建筑，通过优化设计和材料选择，实现节能环保和可持续发展。

6. 总结

门式刚架结构的用钢量优化是提高工程经济效益和结构性能的关键。通过减小隅撑间距和采用连续檩条，可以有效地减少用钢量，提高结构的稳定性和刚度。未来，随着智能设计工具和新材料的应用，门式刚架结构的优化设计将更加高效和精准，为建筑工程的发展提供强有力的支持。

参考文献

[1] 李明. 门式刚架结构设计优化研究[J]. 现代建筑结构, 2022(12).

[2] 王强. 高强度钢在门式刚架中的应用[J]. 建筑科学与工程, 2021(03).

[3] 张伟. 智能设计工具在门式刚架优化中的应用[J]. 工程设计, 2023(07).

[4] 陈志强, 李华. 连续檩条在门式刚架结构中的应用分析[J]. 建筑结构学报, 2022(10).

[5] 赵磊, 王晓. 高效连接方式对门式刚架结构性能的影响研究[J]. 土木工程与管理, 2023(02)

[6] 孙杰. 减小隅撑间距对门式刚架稳定性的优化研究[J]. 工程力学, 2021(05)