岩土工程师辅导：影响钢构用钢量的主要因素(5)

　　4 柱距

　　不少研究都表明，刚架折成每平方米的重量随着柱距的增加而减少。减少的趋势会随着柱距的增加而趋于平缓。这是因为，一方面柱距增加，每榀刚架的受荷面积随之增加，刚架梁、柱的截面尺寸，从而单榀刚架的重量亦会随之增大。另一方面，由于柱距增加，跨度不变，则刚架折成每平方米的重量随着面积增大而减小。当柱距不大时，例如从6M增至8M，单榀刚架荷载增加不很大，单榀刚架的重量增加亦不很大，因此折成每平方米的重量减少较为明显，当柱距进一步增加(例如超过9M)，单榀刚架的重量随着荷载的进一步增大而增幅较大，折算到每平方米的重量的减少就不是很明显了，减少趋势趋于平缓。下面的一组数据说明了这一现象。

　　以一30M跨，7M檐高的单层单跨厂房为例。结构的荷载为：屋面恒载0.2kN/M2，附加吊载0.2kN/M2，屋面活载为0.3kN/M2，基本风压为0.5kN/M2，雪压为0.3kN/M2。

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　刚架用钢(kg/m2) 17.7 15.7 14.2 13.2

　　结构用钢(kg/m2) 25.0 23.3 22.1 21.6

　　刚架用钢仅指门式刚架用钢，结构用钢中包括檩条以外的所有其它结构用钢，例如支撑、系杆、隅撑、山墙柱、门框和女儿墙等。转自环球网校edu24ol.com

　　上述用钢比较可以看出用钢差值随柱距增加而减少的趋势，但仍然不能说明最终的问题，因为没有将檩条的用钢考虑在内。柱距就是檩条的跨度，檩条的用钢是绝对随跨度增加而增加的，仍以上述厂房为例，采用由一家澳大利亚公司所制Q235檩条设计表格为依据，所选檩条如下：

　　屋面檩条(Z型连续)

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　檩条规格(mm) Z150-20 Z200-16 Z200-20 Z250-20

　　檩距(mm) @1700 @1500 @1500 @1500

　　檩条每米重量(kg/m) 4.72 4.75 6.00 6.59

　　折成每平方米重量(kg/m2) 2.78 3.17 4.00 4.39

　　墙面檩条(C型简支)

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　檩条规格(mm) C200-16 C200-20 C250-20 C250-25

　　檩距(mm) @1750 @1750 @1750 @1400

　　檩条每米重量(kg/m) 4.75 6.00 6.59 6.59

　　折成每平方米重量(kg/m2) 1.58 2.00 2.20 2.64

　　结构用钢加上檩条用钢得到总用钢：

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M转自环 球 网 校edu24ol.com

　　总用钢 29.4 28.5 28.3 28.6

　　以上例子说明了结构用钢随柱距变化的趋势。一些其它公司的研究也得出了类似的结论，例如天津万力特的研究指出从综合经济分析的角度看，当柱高6M，跨度范围为18～36M时，最优刚架间距(柱距)为6～7.5M。上海ABC公司的研究文章指出，对于无吊车轻钢结构体系的柱距取为7.5～8m之间是合理的，有吊车的轻钢结构的理想柱距为7.5m左右。这时结构用钢量相对较低，可以得到较好的经济效益。各家对理想柱距的定义范围略有不同，这是因为研究时使用的荷载情况、檐高、跨度、计算软件以及依据的规范的不同。从这些研究中可以得出一个大致的结论，在通常使用的跨度范围内，7.5m左右的柱距可能得到较好的经济效果，超过9m以后，结构用钢会明显增加。

　　§5 檐高

　　当荷载跨度、柱距等因素相同时，檐高(柱长度)愈高，用钢愈大。这不仅仅是由于柱加长了一节。柱高增加，结构的侧向刚度降低，柱顶在水平荷载下的侧移增大，要控制柱顶位移值，必须增加柱截面尺寸。柱长度愈大，柱愈容易受压失稳，其临界压力是与柱长度的平方成反比的。从前面的铰接柱临界力公式(1-2)中可以看出，当L不能改变时，要提高柱的临界力，只有增大I，即截面惯性矩(与截面尺寸和截面形状有关)。对于受压构件,多采用对称截面如H截面管形截面，箱形截面等，增大临界力必须要加大截面尺寸，或者减少柱在两个垂直方向上的约束长度，例如增加系杆或隅撑等，这些都会导致用钢量的增加。

　　下面仍以厂房结构为例，描述一下结构用钢随檐高(柱长度)增加的现象。厂房承受的荷载为：屋面恒载0.2kN/M2，附加吊载0.2kN/M2，屋面活载为0.3kN/M2，基本风压为0.5kN/M2，雪压为0.3kN/M2。结构用钢 随檐高变化如下：

　　檐高 18M跨度8M柱距 36M跨度8M柱距

　　(M) 结构用钢(kg/m2) 结构用钢(kg/m2)

　　5 16.8 21.1

　　6 18.0 22.4

　　7 19.4 23.8

　　8 20.7 25.5

　　一般地说，建筑物的檐高或层高是由建筑师或工艺师所定。但在方案确定之后，提供一些结构经济性的概念给顾客或建筑师是会受到欢迎的。

　　§6 钢材强度

　　这里钢材强度是指钢的屈服强度，因为钢材的设计强度是根据其屈服强度而确定的。国内建筑常用钢材为Q235和Q345，即钢材的屈服强度fy=235N/mm2和fy=345N/mm2。以轴心受拉的公式来说明一下材料强度对用钢的影响，一个拉杆的强度可表示为：

　　NL=Afy (2-6)

　　式中，NL-杆件所能承受的拉力，

　　A-杆件截面积，

　　fy-钢材的屈服强度

　　当NL为荷载引起的拉力时，杆件所需的截面面积可以由式(2-6)得到。

　　A=NL/fy (2-7)

　　如果NL一定，则Q235与Q345钢所需面积的比例为：

　　AQ235/Aq345= NL/235/NL/345=345/235=1.47

　　即Q235钢所需的杆件截面面积为Q345钢的1.47倍。面积乘以杆件长度即为用钢量，当长度确定时，则Q235的用钢为Q345用钢的1.47倍。

　　值得指出的是，当结构构件的用钢是由其强度控制时，Q345的用钢要比Q235节约，可用上述的数值概念来衡量。但当构件的尺寸是由变形(刚度)和稳定控制时，钢材强度的影响就不十分显著，如前面所述，构件的刚度和稳定与fy无关。但是构件由强度控制转化为稳定或刚度控制常常不是一个明确的界限而是一个范围，同时构件在满足稳定和刚度要求时，也需对其强度或组合强度(例如，弯、剪、压共同作用)进行检查或校核。因此材料强度对构件的影响是存在的，只是不如轴心受拉构件那样简单明了而已。在如今Q345与Q235价格相差不多的情况下，使用强度高一些的钢对节余钢材会有明显的效果。

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