门式刚架轻型结构房屋的发展现状

摘 要

介绍了门式刚架轻型结构体系在国内外的发展研究概况；评述了门式刚架结构优化设计研究领域从最初的尺寸优化发展到形状优化、拓扑优化的基本历程；针对我国的实际情况，对门式刚架轻型结构体系在原材料供应、设计、技术力量等方面存在的问题进行了分析，提出了相应的解决措施。

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关键词：

发展设计；尺寸优化；形状优化；拓扑优化 门式刚架；

门式刚架轻型结构房屋的发展现状

一、研究背景

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，能够形成大空问、大跨度，具有外表美观，适应性强，造价低，易维护等特点。

二、门式刚架轻型结构体系在国内外的发展概况

门式刚架轻型结构体系在国外应用极为广泛。在我国，随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、H 型钢的引进和发展，轻型门式剐架结构体系也引起了普遍的重视，应用越来越广泛，逐渐成为许多工业和民用建筑的首选体系。

（一）门式刚架轻型结构体系在国外的发展概况

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。20世纪60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，承包商在规定时问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l ～4层建筑大都采用轻钢结构。在许多国家，如英、美、日、澳大利亚等已作为一种经济快捷的建筑结构体系，以商品的形式出售。其中，美国门式刚架轻型结构体系应用在各领域比例为：1) 商业(仓库、小卖店、事务所、银行、车库设施) 占42％；2) 制造业(制造工厂、仓库) 占34％；3) 文化娱乐业(学校、

教堂、娱乐、福利设施) 占9％；4) 其他占15％。

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为地震空问结构分维，反映地震空问结构的相似性) ，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。

（二）门式刚架轻型结构体系在国内的发展概况

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800×104 m2以上，而且以每年100×104 m2以上的速度增长[3I。

二、门式刚架轻型结构的优化设计

门式刚架轻型结构的造价与其结构用钢量成正比，但是由于门式刚架受力的整体性，其各构件之间相互影响很大，要得到一个经济安全的设计方案是比较困难的。目前结构优化设计可以分为：类型和材料的优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。

（一）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。王元清、王春光研究了门式刚架工业厂房最优柱距的问题，从设计用钢量的角度对轻型钢结构工业厂房的最优柱距做了较详细的研究。研究表明，随柱距的增大，刚架的用钢量逐渐下降，并且随柱距的增加，下降的幅度逐渐趋于平缓；而其他各项的用钢量均随柱距的增加而增加，并且增幅较大；对整个单层厂房上部结构，其总用钢量随柱距的增加 先是逐渐减少，而后增加。柳锋等也对门式刚架的经济尺寸与优化初设计进行了研

究。研究表明，荷载是影响经济柱距的主要因素，跨度越大越应注意采用合理柱距；刚架的跨度也存在最优尺寸，主要影响因素也是荷载大小，与柱距一样，荷载越大越应注意采用合理尺寸。

（二）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。这类优化过程中，设计变量与刚度矩阵一般为简单的线性关系。因此，尺寸优化研究一般为简单的线性关系，研究重点主要集中在优化算法和敏度分析上。

国内目前对门式刚架轻型结构的优化研究大都集中在这一领域，并已经取得了显著的成果。丁龙章等采用渐近满应力法，研究开发了门式刚架结构优化设计软件SOA 。文献[13]采用GIG(General Interactive Gradient)一般梯度法，研究了门式刚架在荷载作用下的优化，与传统设计方法相比，取得了较好的效果。吴剑国H4j 等采用离散复合形优化方法，依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102：98) ，建立了门式刚架轻型结构离散变量优化的数学模型，在3D3s(V3．0) 软件的基础上 编制了门式刚架的结构优化程序。刘鹏¨列使用遗传算法，对门式刚架进行了包括离散和连续变量的截面、形状混合优化的研究，并与PFCAD 系统相结合，形成了一个完整的门式刚架轻型房屋设计与优化系统。此外，杨娜¨J 等对门式刚架轻型结构的最优腹板高度进行了研究；杨泽华H6j 等研究了门式刚架变截面柱的楔率选择。这些研究，为加深对结构优化问题的认识、使用各种不同类型的算法提供了宝贵的经验。

（三）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。相对于尺寸优化设计，形状优化研究起步较晚，取得的研究成果较少。主要有两方面的原因：其一，由于在形状优化过程中分析模型不断变化，因而必须不断地重新生成有限元网格并进行自适应分析，有一定的难度；其二，由于形状优化过程中，单元刚度矩 阵、结构性态与设计变量之间的非线性关系，使得形状优化的敏度分析计算量比尺寸优化要大得多，也困难得多，形状优化设计也因此引起了工程界的极大兴趣。卢林枫L17]等认为屋面坡度对单跨双坡门式刚架的二阶效应的影响是显著的。因此，加强形状优化的研究，对门式刚架的应用具有积极的意义。

（四）拓扑优化

结构拓扑优化就是对结构布局和节点连接关系进行优化，这方面的问题比较困

难，目前还没有成熟的方法和理论，但已有人开始涉猎。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Bendsoe 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。尽管均匀化理论涉足的问 题比较广泛，但目前这一方法仅限于一些经典算例，未见应用于工程实际；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。这种方法的最大优点是简单，不存在传统的结构优化 中常会遇到的算法困难，与均匀化理论方法相比，它具有与商业有限元程序衔接方便的优点，考证这一方法有效性的算例仍然比较简单，如悬臂梁、平面应力问题的板、简单桁架结构等。从目前的发展情况来看，上述两种拓扑优化设计方法的主体研究都还处于理论探索阶段。

三、我国门式刚架轻型结构体系存在的问题

尽管门式刚架轻型结构体系具有造价低、重量轻、安装方便、施工周期短等优点，近几年来发展较快，但是由于我国在该方面起步较晚，《门式刚架轻

型房屋钢结构技术规程》(CECS102：98)1998年才正式出版。在此之前，都是参照《钢结构设计规范》(GBJ 17—88) 和《冷弯薄壁型钢结构技术规程》(GBJ 18—87) 以及国外相关规范进行设计的。因此，在设计水平、设计经验、施工水平等方面与西方发达国家相比都有着较大的差距。在参考国外的经验、规范的同时，应结合国内实际情况，开展相关理论研究与实验，总结经验，完善规范，立足国情，解决问题。

(一) 结构设计软件的开发与结构的优化

近年来，我国的学者对门式刚架的设计进行了大量的研究和探索，开发出了相应的实用设计软件，如门式刚架轻型房屋设计系统PFCAD 、门式刚架轻型房屋设计CAD 系统PS2000、PKPM 及同济大学开发的3D3S 等软件，均可以对门式刚架轻型房屋钢结构进行设计。我国的很多门式刚架厂房用钢量比国外的高，由于设计规范与国外不尽相同，使得我们设计时又不能照搬国外的设计软件。因此，采用恰当的、简便易行的优化设计方法，编制相应的结构设计软件，降低我国的门式刚架生产成本，应当是当前研究的主要课题。

(二）结构计算理论的研究

主结构的精确有限元建模与非线性分析、构件的整体与局部稳定性分析、结构荷载分析、结构抗风抗震分析、面板蒙皮效应分析、节点连接计算等，都需要进行深入的研究。

（三）构造措施研究

由于门式刚架结构在我国推广较晚，因此符合我国规范的相应的构造措施研究不够，如：节点的连接、支撑的布置、结构变形的限制与控制等。

（四）材料与工艺

我国主要的轻钢建筑用低合金钢种在力学性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。冷弯薄壁型钢和压型钢板是抗弯性能与抗整体失稳性能俱佳的高效钢材，其原材料是卷状薄钢板，国内的产品与国外的差距较大，尤其是在钢板的防锈镀铝锌工艺和彩钢板的防腐涂层材料及工艺方面更为明显。在耐候钢的开发方面，国内产品成本过高，且在具备同等耐候能力的焊材和焊接工艺的发展方面明显滞后。国外的焊接工字钢生产上已普遍采用单面焊接工艺，国内仍以双面焊为主，这对于腹板较薄的构件将很困难[。

（五）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。

四、结 语

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。当前钢结构行业的发展既面临机遇，又有严峻的挑战，面对我国经济建设的迅速发展和巨大的钢结构市场，美国、日本、澳大利亚、英国等从事钢结构生产的公司，都加强了对我国市场的开发与占领，外国公司给我国带来了先进的技术和设备，也带来了新的经营管理模式，但他们的报价仍然较高，不易被我国的中小业主接受。我们应不断提高研究开发能力，掌握国外先进技术，积极参与国内外市场竞争，开拓钢结构市场，在竞争中求发展，我国钢结构行业的全面发展指日可待。

参考文献

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