轻型门式刚架结构

《轻型门式刚架结构》课程论文

题 目 轻型门式刚架结构在我国的应用现状及发展前景

学 院 工程技术学院

专 业 土木工程3班

年 级 2008级

学 号

姓 名

指 导 老 师

成 绩

2010年12月29

日

轻型门式刚架结构在我国的应用现状及发展前景

摘要：门式刚架轻型结构体系是近年来在钢结构建筑中应用相当广泛的一种结构形式。它是用等截面或变截面的焊接H型钢作为梁柱，以冷弯薄壁型钢作檩条、墙梁、墙柱。以彩钢板作为屋面板及墙板，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要承重结构。再配以零件、扣件、门窗等形成的比较完善的建筑体系。即门式刚架轻型结构体系。这种结构体系可以在工厂批量生产，在现场按要求拼装形成。能有效地利用材料、构件尺寸小。自重轻、抗震性能好、施工安装方便、建设周期短、能够形成大空间、大跨度；具有外表美观、适应性强、造价低、易维护等特点。本文简述轻型门式刚架结构的发展历史；概括轻型门式刚架结构在我国的应用现状、存在的问题；针对轻型门式刚架结构的未来发展前景的一系列技术措施、方案。

关键词：轻型门式结构 发展历史 应用现状 未来发展 技术措施

近年来，轻型钢结构已经是我国各类钢结构中发展最快的结构形式，被广泛用于工业厂房、各种仓库、体育场馆、商业建筑、旅馆、别墅等。

1、轻型门式刚架结构的发展历史

门式刚架轻型结构体系始于美国。日本和欧洲门式刚架轻型结构体系的应用也较多，但美国的门式刚架轻型结构体系发展最快，应用也最广泛。由于门式刚架轻钢结构具有许多其他结构所不具备的优点。而且经济效益十分显著，因此这种结构形式在国外一经推出就得到了广泛应用。国外轻型钢结构发展较早，由于汽车工业的发展，最初用于建造私人汽车库等简易房屋。二次世界大战时期。由于战争的需要，一些拆装方便的轻钢结构建筑用于营房和库房。

2O世纪6O年代以来，国外建筑钢材的发展有了很大突破，随着色彩丰富而耐久的彩色压型钢板的出现以及H型钢和冷弯型钢的问世，极大地推动了门式刚架轻型钢结构的发展。随着新型建筑材料的出现、加工设备的不断改善、设计形式

的多样化。门式刚架轻型结构体系渐渐普及到大型工业厂房、商业建筑、交通设施等建筑中，实现了设计、分析、出图的程序化(如大型通用化设计软件包Loseke Building System Software)，构件加工、安装施工、经营管理一体化流程。业主不是带着图纸委托加工，而是向承包商定购某种轻型钢结构房屋，承包商在规定时间内按业主要求按质建成，并交付使用。这种高质量的快速供货方式，使业主感到十分满意，门式刚架轻型钢结构得以迅速发展。目前，大部分国外轻钢公司都具有自己的门式刚架轻钢结构系列，各公司的轻钢结构系列大同小异。据统计，欧美各国由轻钢结构体系建造的非住宅单层建筑物占总数的50％以上，日本新建的1～4层建筑大都采用轻钢结构。

在日本，门式刚架轻型结构体系有两种类型：第一种是日本自身发展起来的，已实现了构件标准化、定型化、装配化；经营管理、设计、生产、施工、售后服务系统化。第二种是1989年以来，在从美国引进的轻钢结构体系的基础上发展起来的。日本工程界目前正就主刚架在地震力作用时保有水平耐力(即构件达到塑性阶段时的承载力)所需的D 值的取法(D 为地震空间结构分维，反映地震空间结构的相似性)，大断面z型冷弯薄壁型钢檩条及墙梁、高强度螺栓在椭圆孔处的受力状态等几个方面进行研究引。

2、轻型门式刚架结构在我国的发展、应用现状

我国门式刚架结构体系起步较晚，是在引进国外相关材料和软件的基础上发展起来的。早在20世纪60年代初，我国就对由焊接的工字形截面组成的门式刚架轻型结构进行了研究试验，主要是刚架的塑性设计，并应用于试点工程中。但是，由于我国多年来一直从节约钢材和资金的角度出发，对建筑钢结构采取限制使用的政策，因此，门式刚架结构体系未得到长足的发展，无论是设计水平，还是施工水平，与国外相比，都有较大的差距。

近几年来，随着我国钢材产量的增加和焊接H型钢的出现，压型钢板、冷弯薄壁型钢、H型钢的大批量生产，特别是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102：98)的颁布实施，门式刚架轻型房屋钢结构在我国大量涌现，门式刚架轻型结构体系得到了较为广泛的应用，推动了该种结构体系在我国的设计、成型一体化进程。许多大型钢结构公司都增加了门式刚架轻型结构体系的生产线。程序化设计已经取代了手工设计，国外设计软件逐渐被我国自行编制的设计软件

所替代。据有关资料统计，到2000年我国已建成的此类结构已达800×10 m以上，而且以每年100×104 m2以上的速度增长。

3、门式刚架轻相结构的特点、应用范围

3、1 门式刚架轻钢结构的主要组成部分

承重结构多采用三块钢板焊接工字型组合截面组成的门式轻钢刚架，檩条和墙粱为冷弯z型钢或冷弯内卷边槽钢，搂面采用压型钢板—— 混凝土楼板组台搂盖，墙面及屋面采用彩色压型钢板，压型铝板或压型复台板，保温材料采用岩棉、矿棉和超细玻璃棉等。

3．2 门式刚架轻钢结构的主要特点

（1）产品新颖别致，时代感强，具有系列化、标准化、工厂化现代生产规模，从围护结构到承重结构都可形成系列。

（2）工期短，5000m ～lO000m~的单层房屋从签订合同到建成一般只斋3十月左右，可以壤短工期，早日投入使用，加快投资回收。

（3）内部空旷，结构新颖。在商业建筑中可减步吊顶等装修造价，还能满足大跨度的要求。

（4）重量轻，门式刚架轻钢结构的重量是混凝土结构的1／8~1／10，是普通钢结构的1／2~1／3．因而可降低地基基础造价，减少地震作用的影响。

（5）造价合理，综合经济效益好，在综合造价上可以与钢筋混凝土基本持平。

（6）容易拆迁。

3、3 门式刚架轻钢结构的应用

（1）单层工业厂房，门式刚架轻钢结构因其重量轻，跨度大，易于组合，是建造单层厂房的优选结构形式，厂房内可设5t以下悬挂吊车或起重量小于20t的中轻级工作制吊车。

（2）单层仓储建筑，采用门式刚架轻锕结构外形美观，库内空间大，麓工周期短，改建或转向窖易。因此，可广瑟用于码头仓库，商品仓库及工厂各种库房。

（3）商业建筑，随着城乡经济繁荣，各种商业建筑，如超级市场、贸易中心、农贸市场等都要求建筑物跨度大，视野开阏，门式刚架结构是合理的结构形式之一。

（4）文娱设麓和体育馆。可满足大跨美观的要求，如学拉室内体育馆、小礼堂

等。

（5）旧建筑的翻修与加层，随着经济的发展，旧建筑物翻修改造业务将不断增加，如轻质隔墙和高级装修的内外墙面，在原有建筑物上加层都离不开门式刚架轻铜结构。

4、发展未来轻型门式刚架结构的技术措施

4、1 加强设计、嗣作、安装的管理

门式刚架轻铜结构是技术相对密集的顿域，从理论分析，结构设计到翩作安装都需要较高的技术水平，因而应加强有关企业的管理，以提高生产效率和保证产品质量，特别是制作企业的管理，更为重要。

4、2 积极开展门式刚架轻刚结构有关项目的研究

（1）加大力度开发和推广应用门式刚架轻钢结构软件(CAD、CAM )。

（2）开展对影响门式刚架有关效应因素的研究，进行羼面板抗剪性能和板与构件螺栓连接性能等方面的试验和研究，为门式刚槊轻钢结构空间分析提供技术依据。

（3）研究解决制作和安装中的电脑放样、切害I、焊接、除锈，潦漆荨先进工艺和设备。

（4）进行高强螺挂扳手和先进的检测设备的开发。

4、3材料与工艺

我国主要的轻钢建筑用低合金钢种在力学性能科研开发方面与西方各国采用的主要钢种差别很小，但在结构领域广泛应用的热轧H型和T型钢的生产方面则落后于国外。

4、4加强钢结构人才培养

由于受钢产量及资金所限，我国长期实行的是限制建筑钢结构使用的政策，这造成了钢结构设计人才缺乏、人员素质偏低的现状。一方面，我们应对在校的结构专业学生增加钢结构课时，使他们具有钢结构设计、制作、安装的系统知识；另一方面，有关的高等院校、科研院所和钢结构协会等，应定期举办各种类型的短期培训班，对在职的钢结构技术人员进行继续教育。

4、5类型和材料优化

这一方面的优化通常采用定性的分析。首先分析结构所应具有的功能，了解

结构内部的生产工艺及所需空间，根据结构的功能要求和客观条件来进行结构形式和结构所用材料的优化，常以方案比较和择优的方法实现。

4、6尺寸优化

在给定结构的类型、材料、布局拓扑和外形的情况下，优化各个组成构件的截面尺寸，使结构最轻或最经济，通常称为尺寸优化。尺寸优化中的设计变量可能是杆的横截面积、惯性矩、板的厚度，或是复合材料的分层厚度和材料方向角度，用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化过程不需要重新划分网格，直接利用敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。

4、7形状优化

结构的形状优化也称为结构的几何优化，是在结构类型、材料、布局已定的条件下，对结构的几何形状进行优化，这一类问题目前正处于发展阶段。 4、8 拓扑优化

现在主要出现了两种连续体结构的拓扑优化方法。一种是1988年Bendsoel j等提出的均匀化理论，即在设计区域划分许多具有不同孔洞的微结构对连续体进行拓扑优化。；另一种方法是1993年Xie等提出的进化法，它基于很简单的想法，即逐步删去无效的材料单元，使剩余的结构趋于优化。

5、轻型门式刚架结构的发展前景

一种结构形式的发展应用和前景出了与自身的特点有直接关系外，还受到建材的工业、制造、安装及施工水平的影响，同时，也受国家或地区的产业政策和科技发展水平的制约。

门式刚架结构一方面要求能满足承载要求，在外荷载作用下保证结构安全、可靠，具有足够的耐久性；另一方面，又必须提供人类生产或生活的舒适环境。众所周知，钢材具有耐腐蚀性差、热膨胀系数大和耐火性差等不利因素。我国幅员辽阔，地区气候差异较大，有的地区日温差也很大，或湿度较大，因此，要使门式刚架轻型结构的应用广度加大必须克服上述不利条件。解决途：加强结构的抗腐蚀性研究，并开发出经济、实用且在结构表面涂刷后美观的反腐材料；对外墙和屋面围护材料的研究，实用的围护材料应具有良好的保温、隔热性能，同时应厚度小、重量轻，从目前看，在我国墙面与屋面保温热材料也是制约轻钢建筑发展的重要因素。

总结

重视钢结构和扩大钢结构的使用范围是钢铁工业发达国家的重要技术政策。我国钢产量连续9年居世界首位，扩大钢结构的使用范围，发展应用广泛的轻型钢结构，可加快我国经济建设速度，促进建筑业的现代化，并为钢材消费提供了可观的市场。当前钢结构行业在全球经济的发展情况下既面临机遇，又有严峻的挑战。只有创新管理体制，加大钢材市场的投资，培养专业人才。必定在不久的将来，轻型门式刚架结构的发展是可观的。

参考文献

【1】肖作国·压型钢板在屋面工程中应用的问题与探讨。建筑结构，1999(1)：26

【2】刘承宗·轻钢建筑彩涂钢板选用技术问题探讨。建筑钢结构进展。2000(2)：6

【3】习守中、华爱军、郭爱香·某些地震学预报方法的分类及初步优选。内陆地震，2000，14(1)：15—23

【4】林明旭·轻型钢结构的特点及其在工程上的应用。钢结构，2000，(3)：38-40

【5】刘学利·钢结构住宅应用可行性分析。住宅科技，2000，（7）：28—33

【6】南土吉·浅析我国钢结构体系住宅。山西建筑，2002，（10）：10-11

【7】裴红梅·谈轻型钢结构的应用[J]。山西建筑，2004(18)：61—62

【8】侯宇颖、张莉·轻钢住宅结构体系及其运用[J]。山西建筑，2004(24)：29、30

【9】王元清、石永久等·现代轻钢结构建筑及其在我国的应用。建筑结构学报，2002(1)：2～8

【10】黄真、俞红、李木谦·大跨度拱形钢结构设计与施工技术分 析。钢结构，2000(1)：l4～l6

【11】Bendsoe M P，Ikuchi N K.Generating Optimal Topologies InstructuraI Design Using a Homogenization Method.Comput.App1．Mech．Engrg。1988．71：197—224

【12】丁龙章、陈水福。门架钢结构实用优化设计方法。杭州应用工程技术学院学报，2000(增刊)：86—9O

【13】李芳、凌道盛·工程结构优化设计发展综述。工程设计学报，2002。9(5)：229—235

【14】王元清、壬舂光·门式刚架钢结构工业厂房最优柱距研究。工业建筑。1999，29(6)：49 51

【15】张和平、程海琴、罗威年·论门式刚架截面优化设计在我国的发展。华东交通大学学报，2002，19(4)：37

【16】中华人民共和国建设部建设部·钢结构设计规范(GB50017—2003)IS]。北京：中国计划出版社，2003