优化设计门式刚架
门式刚架设计优化综述
2019.04Doors &Windows摘The portal frame is an important structural system in the field of construction industry It is one of the more tra ditional architectural structure systems and is widely used the portal steel frame structure system used in the building structure system of our country is late mainly single-layer portal frame and the portal frame structure based on the factory building design appears with the development of social economy the structure system in the construction field has been introduced from the old Based on this the design optimization of portal frame is studied and the basic requirements of structure selection and other optimization design content are expounded for reference Key words portal frame 门式刚架结构在钢结构厂房建筑结构体系中应用范围逐支撑梁3门式刚架设计过程中需要关注的影响因素较多门式刚架厂房设计具备多样化的特征建筑规划与设计872019.04Doors &Windows上4首先用钢材质的选择选材是门式刚架结构体系优化设计的重中之重尽可能地缩小横截面面积通过建模设计优化的重点并不是用钢量[建筑规划与设计88。
门式钢架轻型房屋钢结构优化设计
摘要：门式钢架是典型的轻型钢结构，它具有节省材料、施工周期短等优点，因而也是目前国内应用最广泛的轻型钢结构。
门式钢架的设计与施工与普通钢结构相比既有一致性，门式钢架的特点主要在于其节点方面，本文总结了门式钢架设计中一些设计要点，提出来供广大设计人员参考。
关键词：轻型钢结构；门式钢架；设计要点引言随着社会的发展，生产力水平的提高，我国钢产量的不断提高、品种不断丰富。
彩色压型钢板生产的迅速发展，为轻型钢结构房屋的发展奠定了良好的物质基础。
轻型钢结构房屋具有跨度大、空间大、用钢量少、造价低廉、施工方便易安装、施工周期短、施工污染环境少、建筑造型简洁美观、以及可回收利用等优点，在工业厂房、仓库、展览厅等工业与民用建筑中得到越来越多的应用和发展。
一、门式钢架结构的形式及特点钢架结构是梁、柱单元构件的组合体，是柱与直线型、弧线型、折线型横梁钢性连接的承重骨架体系。
其形式种类繁多，在单层厂房及仓库中，应用较多的为单层单跨，双跨或多跨的双坡门式钢架，它可根据通风、采光的需要设置天窗、通风屋脊和采光带等。
门式钢架的整个构件横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，从而降低房屋的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁美观，其次，钢架构件的刚度较好，其平面内、外的刚度差别较小，为制作、运输、安装提供有利的条件。
（一）门式钢架的结构形式门式钢架的结构形式多种多样。
按构件体系分，有实腹式与格构式；按横截面组成分，有等截面与变截面。
实腹式钢架的横截面一般为h型，少数为z型；格构式的横截面为矩形或三角形；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。
（二）门式钢架结构的特点与传统的单层厂房相比，这种结构的特点有: 1、便于拆迁，可用于临时建筑，这是其突出的特征。
2、屋面板采用压型钢板轻型屋面、由于屋面轻了，支承它的结构也很轻。
至于外墙，用砖墙对隔热和降低造价有利，但对结构的侧移要求较严，外观也较差，因此还是用钢墙板者居多。
门式刚架结构的设计与优化
门式刚架结构的设计与优化摘要：门式刚架结构是一种广泛应用于工业和商业建筑的重要结构形式。
本文旨在探讨门式刚架结构的设计与优化方法，以提高其结构性能和经济性。
首先，介绍了门式刚架结构的基本原理和常见应用领域。
然后，讨论了门式刚架结构设计中需要考虑的关键因素，包括荷载条件、结构材料、连接方式等。
接下来，介绍了现有的门式刚架结构设计方法，包括经验设计和基于计算机模拟的优化设计。
最后，总结了门式刚架结构设计与优化的挑战，并提出了未来的研究方向。
关键词：门式刚架结构、设计、优化、结构性能、经济性一、引言门式刚架结构作为一种常见的建筑结构形式，广泛应用于工业和商业建筑领域。
它具有结构强度高、刚度好、施工方便等优点，因此备受青睐。
然而，在门式刚架结构的设计过程中，需要考虑多种因素，如荷载条件、结构材料、连接方式等，以确保结构的安全性和经济性。
同时，设计人员也面临着如何优化门式刚架结构的挑战，以提高其结构性能和减少成本。
因此，对门式刚架结构的设计与优化方法进行研究具有重要意义。
本文将探讨门式刚架结构设计与优化的基本原理和方法，以期为相关领域的研究和实践提供参考。
二、门式刚架结构的基本原理和应用领域2.1 门式刚架结构的定义与特点门式刚架结构是一种以钢材构成的框架结构，其特点包括以下几个方面。
首先，它是由水平和垂直的钢梁和柱组成的框架结构，具有稳定性和强度。
其次，门式刚架结构的构件相对简单，易于制造和安装。
此外，钢材具有高强度和刚性，使得门式刚架结构能够承受较大的荷载。
此外，门式刚架结构还具备大跨度的特点，可以创造出宽敞的空间。
2.2 门式刚架结构的常见应用领域门式刚架结构在多个领域得到广泛应用，以下是常见的应用领域。
首先，工业建筑是门式刚架结构的主要应用领域之一，如厂房、仓库、物流中心等，为工业生产和储存提供了宽敞的空间。
其次，商业建筑如购物中心、超市、展览馆等也常采用门式刚架结构，以满足大空间展示和经营的需求。
小议门式刚架轻型钢结构的优化设计
小议门式刚架轻型钢结构的优化设计摘要：笔者根据多年从业经验，对门式刚架轻型钢结构中的设计经行深入探讨。
关键词：门式刚架结构，优化设计，轻钢结构1 结构形式与跨度对用钢量的影响门式刚架的结构形式按跨度可以分为单跨，双跨和多跨，按屋面坡脊数可分为多脊双坡，单脊双坡和单脊单坡。
由于多脊双坡常常采用内天沟排水，而内天沟排水的体系因其特点从而具有下列缺点：1)钢耗量增大；2)室内排水系统增多；3)由于屋面节点较多为日后房屋漏水留下较多隐患；从而在刚架形式上，设计工程师常采用外挂彩板天沟，单屋脊的多跨大双坡的形式。
在设计中，房屋高度往往由生产条件和使用要求所确定，而房屋的高度对应其合理的跨度。
总体来说，在一定的荷载和柱高条件下，由于跨度的适当增加所引起的用钢量增加并不是很明显，但跨度的增大却多出了有效的使用面积，同时也降低了基础的造价。
在用钢量最小的求解过程中，不同的柱高对应不同的最优经济跨度。
通过特定条件下的计算表明，无吊车轻型门式刚架单位用钢量随着跨度的增加是单调递增的，而有吊车的门式刚架情况较为复杂，总体来说，吊车的起重量与经济跨度密切相关，不同吨位的吊车又对应不同的经济跨度，随着吊车起重量的增加，经济跨度向高处攀升。
2 刚架最优柱距的确定从综合的角度分析，柱距(模数)的选择对设计的优劣影响极大。
归纳起来有以下几点：1)钢用量始终是评价刚架结构方案优劣的有效指标，研究表明，柱距和门式刚架用钢量关系最为密切。
2)使用轻质屋面材料和轻型墙体材料，取代传统工艺所常用的钢筋混凝土屋面板和钢筋混凝土围护墙体的做法，可以降低厂房总体造价。
3)钢材的供应与费用，标准化程度等指标都与厂房的柱距(模数)有关。
刚架的间距与刚架的跨度大小、屋面荷载多少、檩条间距的大小等多种因素有密切关系。
正常情况下，间距的增大，檩条和墙梁跨度增大，直接导致其相应用钢量增加，同时支撑的用钢量也增加，但主刚架榀数的减少可以降低总用钢量。
工程经验表明，6m～9m是门式刚架的合理柱距，7.5m左右的经济效果最好。
论工业厂房轻型门式刚架的优化
论工业厂房轻型门式刚架的优化摘要：门式刚架结构是梁、柱单元构件的组合体，其结构美观经济安装方便，在玻璃工业厂房以及其他工业领域，应用得相当广泛。
本文结合实际工程经验, 提出了轻型门式刚架普通钢结构厂房的优化设计方法，希望能够为今后同类型的厂房设计提供简便的设计思路。
关键词：工业厂房设计、门式刚架、优化1、前言：轻型钢结构门式刚架与屋架结构相比,整个构件的横截面尺寸相对较小,可以有效地利用建筑空间，从而有效降低房屋的高度，减小建筑体积；其次，刚架构件本身的刚度较好，其平面内、外的刚度都较好，为运输、安装提供较有利的条件。
另外轻型门式在建筑造型上也较简洁美观。
因此，轻型门式刚架结构形式不光用于中、小跨度的玻璃及其他工业房屋，也能应用到较小跨度的公共建筑，都能取得较好的经济效果和时间效益。
在玻璃行业中，不管是玻璃原片生产线还是玻璃深加工厂房，都大量采用了轻型门式刚架结构形式的厂房。
这种厂房结构构件单一，在工厂采用焊机流水线焊接，在现场采用螺栓拼接安装，施工简单快捷，能够节约大量人力和时间。
而传统的钢屋架结构形式体系,用钢量大,构件多,施工安装量大,质量不易保证,结构占用建筑空间大等缺点。
因此，在中、小型跨度结构中，轻型门式刚架取代传统的桁架或网架结构成为必然的趋势。
2、门式实腹刚架门式实腹刚架适用于荷载较小、跨度约为9～36m、柱高约为4．5～12m，无吊车或吊车起重量较小的房屋。
当跨度不超过15m，柱高不超过6m，弯矩变化不大。
以及按塑性理论设计时，宜采用等截面；当跨度大于15m，柱高为7m 以上以及有吊车时，弯矩变化较大，宜采用变截面。
变截面随着弯矩变化，能够充分材料性能，因而更节约材料，但在裁剪材料及加工制造方面，不如等截面方便。
用上下翼缘和腹板三块钢板焊成的工字形截面的实腹刚架，截面形式简单，受力性能好，在玻璃厂房门式刚架中都采用这种工字型实腹刚架。
为保证门式刚架制作的焊接质量和提高工效，变截面钢柱和钢梁一般在工厂采用自动焊机焊接成型。
怎样优化设计门式钢结构
怎样优化设计门式钢结构门架钢结构优化分析步骤根据采用的优化方法和约束前提，门架钢结构的优化分析步骤如下：第一步：确定门架结构构件的初定截面尺寸，一般则软件根据门架结构的跨确定，也可由设计职员确定;第二步：采用变截面杆件有限元进行各种工况下的门架结构力学分析、荷载组合，强度及不乱验算;第三步：根据实际荷载效应，各种约束前提，采用满应力截面优化方法重新优化选择门架结构各杆件截面尺寸;以上第二步、第三步可反复轮回进行，每轮回一次即完成优化选择，直到所选截面尺寸与上一次截面尺寸完全一致为止。
这也就是我们采用优化设计方法的优化目标。
轻型门架钢结构具有造价低、重量轻、安装利便、施工周期短等长处，因此近几年来发展较快，在产业厂房中已得到了较广泛的应用。
因此,我们的优化目标可以直接简化为如何选择经济公道的截面尺寸，使其在知足强度、刚度、不乱性等要求的条件下，截面面积最小。
而在实用设计中，门架钢结构的用钢量和造价又是由结构杆件的截面尺寸决定的。
构件截面尺寸的修改，也就是截面尺寸的优化，其方法是选取的截面尺寸力求其在平面、出平面两个方向的截面抗弯抵挡力矩最大，而其截面面积最小，即在外荷载作用下，截面尺寸的选择既要能知足强度、不乱验算中构件材料的设计强度要求，又要使材料用量最省。
实现截面尺寸满应力优化，其轮回次数较多，一般在10次以上方可收敛，而实现门架刚度知足变形要求的截面尺寸优化次数较少，一般1-3次即可知足要求。
优化方法与网架钢结构的优化方法相似，门架钢结构的优化方法也采用渐近满应力法，即门架钢结构杆件通过多次计算分析选择修改其截面尺寸，使其达到或尽量接近满应力状态，直到门架钢结构的全部杆件的截面尺寸不需修改为止，使门架钢结构的用钢量最小，以达到造价最低的优化目标。
优化目标在进行门架钢结构设计时，应在确保结构安全的条件下，使结构的用钢量最省、造价最低。
第四步：验算门架结构梁、柱各点的变形及知足有关规范的要求，如不知足则按一定的比例参数参照截面满应力优化方法优化调整截面尺寸，再重复第二、三步轮回优化，直到门架钢结构所有构件的各点变形知足划定要求为止。
门式刚架的优化设计
（三）综合优化
确定了门式刚架的材质、截面型式以后，即可根据STS软件显示的计算结果信息，综合调整梁、柱的截面尺寸，进行整体优化。
STS计算钢结构应力比图说明：
柱左：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；
右上：平面内稳定应力比（对应长细比）；
右下：平面外稳定应力比（对应长细比）；
梁上：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；
左下：平面内稳定应力比；
右下：平面外稳定应力比。
1．针对梁、柱构件的强度抗弯承载力，应调整杆件的整个截面尺寸，即同时调整梁、柱腹板和翼缘的尺寸，以达到应力比值合适。
2．针对梁、柱平面内的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱腹板的尺寸，辅助调整翼缘板的规格，以达到合适的应力比及长细比。
3．针对梁、柱平面外的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱翼缘板的尺寸，辅助调整腹板的高、厚，以达到合适的应力比及长细比。
总之，在进行门式刚架的综合优化时，不论上述哪一项内容都不能孤立调整，而应当全面考虑，单独改变某一个数据都会对其他数据带来或多或少的影响，改变截面平面内的数据会对平面外的数据产生影响；改变钢柱的数据会对钢梁产生影响等；反之亦然。
因此优化时要配合所有数据的协调变化，以使计算结果最优。
轻型钢结构门式刚架的截面优化设计
轻型钢结构门式刚架的截面优化设计概述轻型钢结构门式刚架在工业厂房、公路(铁路)库、仓库、飞机库、集贸市场、体育场馆、航空港、商业建筑中越来越得到人们的青睐。
轻型钢结构的"轻"有两个含义，一是采用轻型材料，二是钢材消耗量低。
在门式刚架中，采用轻型焊接变截面工形柱和分段变截面工形梁并利用腹板屈曲后强度，是降低其用钢量的有效措施，但这就使得结构分析和构件计算变得复杂化。
因此，研究和开发轻钢结构计算机分析、优化设计、性能评估和绘图系统，必将对轻钢结构的进一步发展起到非常大的促进作用。
目前，PKPM系列软件的STS模块已经能进行轻型钢结构门式刚架的分析计算、截面优化设计、节点设计和施工图绘制。
本文论述了其轻型钢结构门式刚架的截面优化方法以及软件的功能和应用。
门式刚架截面优化方法截面优化的实现方法有二种。
一是用最优化理论来解决，把问题归结为一个单目标规划问题，优化的目标函数是用钢量最少或造价最低，各种设计条件如结构反应（应力、位移等）的允许范围等都可作为约束条件，用数学规划的理论来寻求最优解或最满意解。
另一种方法是穷举法，即把各种合理的构件截面形式都进行计算比较，在满足设计要求的情况下，以用钢量最少或造价最低为控制条件，得到满意的截面尺寸。
门式刚架常采用变化构件的截面来适应弯矩变化以达到节约钢材的目的。
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翼缘的宽度、厚度；下翼缘的宽度、厚度；腹板的厚度；构件大头、小头的高度；而且这些因素之间也互相影响，互相不独立。
工程设计从形式上看，是一种基于严格的力学和数学法则的精确运算过程；实际上，结构设计中起重要作用的并不是那些运算方法和数学处理，而是一系列难以用精确的计算解决的，具有主观色彩的决策问题，所以，完全用最优化理论来实现截面优化设计有一定的复杂性，还需要进一步的理论研究。
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２ 优 化设计 ２ １ 选择 截 面 ．
型钢断面的构件 ， Ｈ型钢又分为热轧 国标 Ｈ型钢和钢板组焊的 而
Ｈ 型 钢 。根 据 建 筑 功 能 的要 求 ， 构 的 跨 度 、 度 和 荷 载 不 同 ， 结 高 门
轻型钢结构 中经 常使用 的材料 。两 种钢材 的强度 设计值 是不 同 的， 如板厚不大于 】 ６钢板的强度设计值见表 １ 。
是 钢 板 组 焊 Ｈ型 钢 ， 用 时 要综 合 平衡 。热 轧 国标 Ｈ型 钢 成 型 美 选 钢结构建筑 ， 诸如车间 、 库房 、 展厅 、 屋面接层 、 内部夹层 等都普遍 观， 质量均匀有保证 ， 一般 的甲方都 比较认 可。而使用 钢板组 焊 采 用 了 门式 刚架 轻 型 钢 结 构 ， 氐 了 一 大 批 钢 结 构 建 设 企 业 和 设 成 Ｈ型钢 ， 不仅可以组成 变截 面构件 ， 并且 可根据计 算应力 选择 最 计人员 ， 因此 也 应 运 而 生 了 许 多 钢 结 构 设 计 软 件 ， 计 人 员 可 以 设 从 但 利 用 电算 软 件 方 便 快 捷 地 做 出 各 种 钢 结 构设 计 。 然 而 ， 同 的设 合适 的 构 件截 面 尺 寸 ， 而 降 低 刚架 含 钢 量 ， 从 市场 上 购 回 的 不 钢板 是 固 定 的规 格 尺寸 ， 制作 时 又 有 可 能 会 产 生 材 料 损 耗 大 的 问 计 人员 面对 同一 个 工 程 并 且使 用 同 一 款 软 件 ， 算 后 会 得 出 各 自 计 两 优 使 不 一样 的结 果 。 究其 原 因 ， 要 与 设 计 人 员 对 钢 结 构 工 程 的 理 解 题 。 因此 Ｈ 型钢 热 轧 或 是 组 焊 ， 项 要 做 全 面 比较 ， 化 选 择 ， 主 建 筑 结 构 、 工 工 艺 等方 面都 更 为 科 学 合 理 。 施 认识 ， 工作 实践 经 验 的积 累 ， 本 知 识 的 掌 握 ， 识 的 多 寡 等 因 素 基 见 ４ 当门式刚架采用等截 面 Ｈ型钢柱时 ， ） 为满足刚架在平面外 都 有 着 密 切 的 关 系 。设 计 人 员 做 出 的设 计图 纸 至 关 重 要 ， 为 某 因 的稳 定 应 力 和 长 细 比 要 求 ， 型 钢 的 翼 缘 要 具 备 一 定 的 宽 度 ， Ｈ 而 项 工 程 的 设 计 结 果 ， 决 定 了该 项 工 程 的 含 钢 量 ， 就 基 本 上 既 也 热 轧 国标 窄 翼 缘 Ｈ 型 钢 其 翼缘 太 窄 ， 常 不 能 满 足 钢 柱 在 平 面 外 通 确 定 了这 项 工 程 的造 价 ， 以 其 没 计 不 仅 要 符 合设 计规 范 等 条 文 所 的稳定应力和长细 比要求 ， 不适合做钢 柱构件 ； 热轧 中、 宽翼缘 的 的规 定 ， 证 建 筑 结 构 体 系 的 安全 ， 保 同时 也 要 求 把 “ 钢 用 在 刀 刃 好 Ｉ ｛型钢翼缘 的宽度 能够 满足 长细 比要 求 ， 厚度往 往较 大 ， 但 又不 上 ” 在 满 足 规 范 要 求 的 基 础 上 做好 恰 当 的 优 化 ， 理 的 降 低 含 钢 ， 合 利于节约钢材 ， 因此 Ｈ 型 钢柱 最 好 采 用 钢 板 组 焊 的 Ｈ 型钢 。这 是 量， 做到安全适用 ， 经济合理 ， 确保质量 。因此钢结构设 计 中的一 作 者 多 年来 做 钢结 构设 计 的 一点 经 验 。 项 重要 内容 就 是 对 设 计 项 目进 行 逐 步 优 化 。作 者 一 直 以 来 都 在
一
． 应 用 中 国 建筑 科 学 研 究 院 开 发 的 Ｐ Ｐ Ｓ Ｓ软 件 进 行 钢 结 构 的设 ２ ２ 选 择 材 质 Ｋ Ｍ—Ｔ 现行 国 家 标 准 Ｃ ／ ０ Ｂ Ｔ ７ ０碳 素 结 构 钢 中 规 定 的 Ｑ ３ Ｂ钢 和 ２５ 计 ， 在 结 合 多 年 施 工 现 场 的工 作 经 历 和 设 计 感 受 ， ｒ 式 刚 架 现 把 Ｊ Ｇ ／ ５ １ 合 金 高 强 度 结 构 钢 中 规 定 的 Ｑ ４ Ｂ 钢 足 门 式 刚 架 Ｂ １９ 低 Ｔ ３５ 轻 型钢结构优化设计方面的一些 经验和体会总结 出来 ， 与大家共
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３ ・ ８
第３ ７卷 第 ６期 ２０１ １年 ２月
山 西 建 筑
ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖ０ ＿ ７ Ｎｏ． ｌ３ ６ Ｆｅ ２ ｂ． ０１ｌ
文章 编 号 ：０ ９ ６２ （０ ）６ ０ ３ —２ １０ —８ ５ ２ １ ０ —０ ８０ １
中 图分 类 号 ：Ｕ ２ Ｔ ３８ 文 献标 识 码 ： Ａ 为 主， 腹板 以抗 剪 为 主 ， 据 本 人 验 算 比较 ， 用 变 截 面 钢 梁 较 为 根 采
１ 概 述
８ｍ及 以上 。 钢 结 构 因 其 自重轻 、 工 周 期 短 、 震 能 力 强 、 回收 等 优 势 合适 的双坡屋面的跨度应在 １ 施 抗 可 ３ Ｈ型钢构件选用有 两种 ， ） 一种是热 轧国标 Ｈ型钢 ， 另一种 和特点被人们广泛应用 。改革开放 以来 ， 国已建 成 了大量 的轻 我
优 化 设 计 门 式 刚 架
何
摘
锐
要： 结合多年工作 实践 ， 门式刚架轻钢结构优化设计相 关事 项进 行 了探讨 ， 对 分别 阐述 了门式刚架轻型钢 结构截 面
形 式 的 选择 和 材 质 要 求 及 综 合优 化要 点 ， 期 为 钢 结 构 设计 人 员提 供 指 寻 。 以 关键 词 ： 门式 刚 架 ， 钢 结 构 ， 化 设 计 ， 面形 式 轻 优 截
表 １ 钢 材 的强 度 设 计 值
ｌ钢材牌号 ｌ厚度 ｍ ／ｍ
Ｑ４ 钢 Ｉ ≤１ ３５ ６