鋼結構用鋼量與跨度、柱距、檐口高度的比例關系
1 工程實例概況
該工程為某汽車公司沖壓廠房改造項目，業主要求在舊廠房外圍擴建，且舊廠房內的生產操作設備均不能移動，只能在舊廠房圍護拆除後建造新廠房時，才暫時中斷生產，新廠房建成後立即恢復生產。建築設計看上去就象是新廠房覆蓋舊廠房並向外擴大範圍。改造後的沖壓廠房跨度確定為48m，屋檐標高度確定為8.7m，廠房內不設吊車，圍護結構采用壓型鋼板,保溫材料采用巖棉，建築剖面見圖1。
根據業主上述要求，結構形式采用單跨雙坡輕型門式剛架。
圖1 建築剖面圖
2 大跨度門式剛架結構的計算模型
2.1 計算模型簡圖
本工程采用同濟大學編制的3D3S V9.0版鋼結構軟件計算，計算簡圖見圖2.1。
2.1.1 剛架柱與基礎連接形式
在無吊車情況下，宜采用鉸接，若采用剛接，雖然有利於減少跨中 撓度，但鋼柱截面為等截面，柱腳為剛性節點，總用鋼量將加大。而且樁
圖2.1 計算簡圖 基礎承臺承受的彎矩很大，尤其是在大跨度門式剛架情況下，承受大彎矩的承臺，不僅其截面、上下配筋量要加大，而且基樁要按抗拔樁計算其承載力，考慮基樁與承臺的抗拉連接構造需要加強等，這將增加基礎工程費用。因此，本工程柱與基礎采用鉸接連接形式，以便減少剛架總用鋼量和基礎費用。
2.1.2 門式剛架斜梁分段比
主要考慮斜梁的彎矩包絡圖，其次考慮方便運輸、吊裝的單元最大長度。從彎矩包絡圖上選擇拐彎點及其附近作為斜梁拼接點，可明顯減少連接端板用鋼量和高強螺栓數量。本工程分為兩段，分段比約為8:16。
2.1.3 門式剛架斜梁平面內外計算長度
取斜梁隅撐間距，壹般沿斜梁方向每兩道檁條設置壹道隅撐，檁距最大不超過1.5m，因此斜梁平面外計算長度可取為3.0m。斜梁平面內計算長度由計算軟件根據《規程》的規定自動計算。
2.1.4 剛架柱平面內外計算長度
雖然《規程》規定：當外側設有壓型鋼板的實腹式剛架柱的內側翼緣受壓時，可沿內側翼緣設置成對的隅撐，作為柱的側向支撐。但本工程門式剛架跨度大，超出了《規程》建議適宜的最大跨度較多，而跨度越大，柱軸壓力也越大，從而對柱平面外的穩定性影響也越大。因此，本工程柱平面外計算長度取柱側向的剛性系桿（用圓鋼管）之間距，最大為5.0m。這也是超規程大跨度門式剛架有別於壹般跨度門式剛架的重要設計要點。柱平面內計算長度由計算軟件根據《規程》的規定自動計算。
2.1.5 其他 屋面坡度取1:15。氣樓對整個門式剛架剛度貢獻很小，可將其簡化為重力荷載施加於斜梁上。
2.2 設計參數
2.2.1 鋼材材質
采用高強鋼材能節省用鋼量，而在大跨度尤其是超規程大跨度條件下應采用高強鋼材。因此，在本工程中鋼材采用Q345B鋼。
2.2.2 荷載
（1）永久荷載 除剛架自重由3D3S軟件計算外，其余重力荷載包括屋面板、檁條、支撐、懸掛燈具等，可取0.18～0.22kN/m2，對於超規程大跨度，為了安全起見，在本工程中采用0.30kN/m2。
（2）可變荷載 本工程無吊車荷載、屋面雪荷載、積灰荷載。屋面活荷載在計算剛架時采用0.30kN/m2，在計算檁條、屋面板時采用0.50 kN/m2。風荷載基本風壓按50年壹遇的風壓乘以1.05采用，即0.63kN/m2。地震作用按抗震設防烈度7度考慮。
3 大跨度門式剛架不同柱距時的輕型鋼結構體系總用鋼量對比
為尋求經濟的柱距，本文考慮幾個不同的柱距，采用同濟大學編制的3D3S鋼結構軟件進行設計，得到不同柱距條件下的總用鋼量圖表。設計時對構件應滿足的條件規定如下：
（1）各構件最危險截面考慮其強度應力比、平面內外應力比均≤1.0。
（2）各構件的變形限值：對門式剛架斜梁，其撓度與跨度之比限值為≤L/180（L為斜梁跨度），對剛架柱頂位移的限值為≤h/100（h為剛架柱高度）。
（3）各構件長細比限值為≤180。
3.1 不同柱距時的剛架含鋼量
剛架構件含鋼量由軟件自動計算。考慮節點的含鋼量，根據任意壹個具體剛架的節點詳細設計結果，可將剛架構件含鋼量乘以1.03的增大系數，剛架含鋼量見表3.1。
表3.1 剛架含鋼量
縱向柱間距（m）
桿件序號
截面型號
剛架含鋼量（kg）
6
①
H(700～1300)x250x8x12
5799.2
②
H700x210x6x10
③
H(500～1300)x250x8x12
7
①
H(750～1350)x270x8x12
6192.2
②
H750x230x6x10
③
H(500～1350)x270x8x12
8
①
H(800～1450)x290x8x12
6559.1
②
H800x240x6x10
③
H(500～1400)x290x8x12
9
①
H(850～1550)x300x8x12
6860.7
②
H850x250x6x10
③
H(500～1450)x300x8x12
10
①
H(850～1550)x300x8x14
7432.4
②
H850x250x6x12
③
H(500～1450)x300x8x14
以6m柱距為例，剛架計算結果圖見圖3.1。
計算結果圖說明：
柱左：從下往上分別為：強度驗算應力比（應
力/設計強度，以下同），繞弱軸整體
穩定應力比，繞強軸整體穩定應力比。
柱右：從下往上分別為：繞弱軸長細比，繞
圖3.1 剛架計算結果圖 強軸長細比。
梁上：從左往右分別為：強度驗算應力比（應力/設計強度，以下同），繞弱軸整體穩定應力比，繞強軸整體穩定應力比。
梁下：從左往右分別為：繞弱軸長細比，繞強軸長細比。
3.2 不同柱距時的檁條、墻梁含鋼量
為了便於對比分析，設計檁條、墻梁時統壹取檁條水平間距、墻梁豎向間距為1.2m，按簡支檁條、墻梁計算，檁條、墻梁含鋼量見表3.2。
表3.2 檁條、墻梁含鋼量
縱向柱間距(m)
檁條、墻梁規格
單位重量(kg/m)
檁條數量(條)
墻梁數量（條）
檁條含鋼量(kg)
墻梁含鋼量(kg)
6
C160x60x20x2.2
5.21
40
16
1250.4
500.2
7
C200x70x20x2.2
6.25
40
16
1750.0
700.0
8
C250x75x20x2.2
7.27
40
16
2326.4
930.6
9
C280x80x20x2.5
8.76
40
16
3153.6
1261.4
10
C300x80x20x3.0
10.92
40
16
4368.0
1747.2
3.3 不同柱距時的支撐含鋼量
支撐體系包括柱間支撐、屋蓋橫向支撐，在設置柱間支撐的開間，同時設置屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。對無吊車廠房，可用帶張緊裝置的十字交叉圓鋼支撐，圓鋼可統壹用Φ20，每道支撐***布置24條，另用圓鋼管作為剛性系桿，要求其長細比不大於200。支撐間距宜取30～45m，為了便於對比分析，支撐布置時每5個柱距設置壹道支撐。這樣，折算成每壹榀剛架的支撐含鋼量時，可用每道支撐的含鋼量除以5得到，支撐含鋼量見表3.3。
表3.3 支撐含鋼量
縱向柱間距(m)
剛性系桿
規格
單位重量(kg/m)
數量(條)
剛性系桿
含鋼量
(kg)
圓鋼風拉桿
含鋼量
(kg)
每道支撐
含鋼量
(kg)
每榀剛架支撐含鋼量 (kg)
6
Φ89x2.5
5.33
12
383.8
501.0
884.8
177.0
7
Φ102x3.0
7.32
12
614.9
544.3
1159.2
231.8
8
Φ121x3.0
8.73
12
838.1
590.4
1428.5
285.7
9
Φ133x3.0
9.62
12
1039.0
638.6
1677.6
335.5
10
Φ152x3.0
11.02
12
1322.4
688.5
2010.9
402.2
3.4 不同柱距時的總用鋼量對比
根據以上不同柱距時的剛架、檁條、墻梁及支撐的含鋼量，可計算得到不同柱距時的結構體系總用鋼量圖表，分別見表3.4和圖3.4。
表3.4 結構體系總用鋼量
縱向柱間距(m）
6
7
8
9
10
結構體系總用鋼量(kg/m2)
26.83
26.41
26.31
26.88
29.06
從上述圖表可以看出：
（1）對門式剛架輕型鋼結構體系而言，剛架用鋼量是最主要的，當柱距較小時，剛架用剛量占總用鋼量的70%以上，而其它各單項用鋼量如墻梁、檁條、柱間支撐、屋面支撐等只占較小比例的壹部分，因此，如何設計好門式剛架對降低總用鋼量具有重要意義。
（2）隨著柱距的增大，作為整個廠房結構“用鋼量大戶”的剛架，其用鋼量比率是逐漸下降的，並且隨柱距的增加，下降的幅度逐漸趨於平緩。
（3）其它各項的用鋼量均柱距的增加而增加，其中檁條用鋼量增加較快。
（4）整個單層廠房上部結構，其總用鋼量隨柱距的增加先是逐漸減少，而後增加，且增加較快。這表明，就用鋼量指標而言，確實存在壹個最優柱距，不難看出，本工程中最優柱距為8m。
當然，由於不同設計人員在設計同壹結構時，各設計方案可能在結構體系、圍護布置等選擇上有所差別，從而各用鋼量指標不盡相同，但其用鋼量變化趨勢及上述結論是壹致的。因此對於類似於本工程的超規程大跨度門式剛架輕型鋼結構體系而言，可選擇最優柱距為8m。
4 結語
本文根據工程實例情況，對超規程大跨度門式剛架輕型鋼結構體系的適用性及其每平米用鋼量與柱距的關系作了壹些討論，表明超規程大跨度對實腹式構件組成的門式剛架仍然是適用的，而且，就用鋼量指標而言，其經濟柱距為7～8m。另外，本工程沒有給出有吊車的情況，因為通常吊車跨度在10.5m～31.5m之間，本工程大跨度超出了吊車梁跨度範圍。若業主要求設置吊車，則需增設剛架中間柱，此種情況其經濟柱距應另當別論。