钢框架结构柱网尺寸的技术经济分析.doc

钢框架结构柱网尺寸的技术经济分析

陈利华1 张昔飞1
（开封安利达金属工程有限公司，河南 开封，475004）

提要：钢框架结构[1]具有很好的抗震性能，能够提供宽敞而灵活的使用空间，造价低廉、施工方便，建筑造型的可塑空间大。在建筑设计中，只要选择了钢框架结构，就面临柱网尺寸如何确定的问题。钢框架结构柱网尺寸的选择不仅需要符合建筑设计和使用的要求，同时还要保证经济合理、施工方便。本文定性和定量的分析了影响柱网尺寸确定的主要因素：工程造价、施工技术难易程度等，得出了他们与柱网尺寸的关系，找出最合理的柱网尺寸。
关键词： 钢框架结构 柱网尺寸 影响因素

一、 引言

为了确定经济合理的柱网尺寸[2]，掌握其规律性，需要对影响柱网尺寸的因素及确定原则进行研究。为此，首先分析了确定框架结构柱网尺寸的影响因素及它们之间的关系，再利用建筑科学院出版的PKPM2010软件算出实际工程中不同柱网尺寸时对应的钢材消耗量及单平方用钢量，确定最为经济合理的钢框架结构柱网尺寸。

二、 影响钢框架结构柱网尺寸的主要因素

在实际工程中，柱网尺寸的大小往往不是通过单一的平面关系就能确定的，尤其是比较复杂的建筑物。影响框架结构柱网尺寸选择的因素很多，如使用功能、建筑布局和造型、工程造价、施工技术难度等。
（1）建筑布局和造型。一幢高层建筑中，有的楼层可能是办公房间，有的楼层是旅馆，有的楼层是公寓，底层可能是商场或某行业的营业大厅，地下室还要做停车场及设备用房等。这时，确定建筑物的柱网就不能仅从单一的功能去考虑，必须对建筑物的各种功能进行权衡，找出既适应各种功能又最经济合理的柱网。
（2）工程造价。当柱网尺寸较小时，构件截面满足构造要求即可，所以其强度不能充分发挥，造成材料浪费；当柱网尺寸较大时，构件尺寸增大，结构的造价也可能提高，故只有合理的柱网尺寸才能使造价最低、最经济。
（3）施工技术难易程度。当设计柱网尺寸较大时，单根梁的重量可能就比较重了，而由于场地限制吊车又进不去或者没办法伸臂，这是就增加了施工的难度。所以大柱距钢框架有可能既不经济又增加了施工难度。

三、试验研究

试验计算模型为无填充墙全钢框架结构体系，建筑为三层钢结构厂房，层高3.6m。屋（楼）面恒荷载为4.0KN/m2；基本风压0.45 KN/m2；抗震设防烈度为7度,地震分组为第一组；楼板采用组合楼板（楼承板+现浇混凝土板）；框架梁柱钢材材质为Q345-B，楼承板材质为Q235-B,混凝土强度等级为C30，板内钢筋采用HPB400。
为了便于分析，假定所设计的钢结构厂房开间数保持不变（共8间），以单位面积上的含钢量作为比较标准。依据建筑设计，其柱网布置如图1所示，其中L0为柱距，分别取L0=4200，4800，5400，6000，6600，7200，7800，8400和9000mm进行计算、分析讨论。

图1. 钢框架柱网布置图

对以上8种不同柱网尺寸条件下的钢框架结构进行设计[3][4]，根据钢框架结构设计进行了技术经济指标的计算和用钢量的分析[5]，在不同活荷载的情况下得出相应的结果，次梁每隔两米横向布置，楼板混凝土和钢筋用量不计。
本试验基准计算屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2（表1），再取2.0 KN/m2（表2）和6.0 KN/m2（表3）分别计算与其比较，从而得出比较准确的结论。
（1）、在屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2情况下

表1：在屋（楼）面活荷载取4.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量

方案一
方案（1）
方案（2）
方案
（3）
方案（4）
方案（5）
方案（6）
方案（7）
方案（8）
方案（9）
开间L0（mm）
4200
4800
5400
6000
6600
7200
7800
8400
9000
恒载（KN/m2）
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
活载（KN/m2）
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
梁
截
面
ZL-1
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H500
x200
x8
x12
ZL-2
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H500
x200
x8
x12
CL-1
H300
x160
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H350
x160
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H350
x180
x6
x10
H350
x180
x6
x10
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
柱截面
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x12
H400
x260
x10
x12
H400
x260
x10
x14
H400
x280
x10
x14
钢材总用量（（t）
90.6
95.9
102.5
108
113.6
129.4
146.3
164.8
184.4
单位用钢量
（kg/m2）
63.7
59.1
56.1
53.2
50.8
53.1
55.4
57.9
60.5

根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W与柱网尺寸的关系图曲线(如图2)：

图2：单位用钢量W与柱网尺寸关系曲线

由上图曲线可知，W5<W6<W4<W7<W3<W8<W2<W9<W1，6.6m为最经济合理柱距，7.2m与6.0m次之。

（2）、在屋（楼）面活荷载取2.0 KN/m2情况下

表2：在屋（楼）面活荷载取2.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量

方案二
方案（1）
方案（2）
方案
（3）
方案（4）
方案（5）
方案（6）
方案（7）
方案（8）
方案（9）
开间L0（mm）
4200
4800
5400
6000
6600
7200
7800
8400
9000
恒载（KN/m2）
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
活载（KN/m2）
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
梁
截面
ZL-1
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
ZL-2
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
X180
x8
x12
H300
x200
x8
x12
H35
x200
x8
x12
H350
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
CL-1
H250
x150
x6
x8
H250
x150
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H300
x160
x6
x8
H300
x180
x6
x10
H350
x180
x6
x10
H350
x180
x8
x12
H400
X180
x8
x12
柱截面
H300
x220
x8
x12
H300
x220
x8
x12
H300
x220
x8
x12
H300
x220
x8
x12
H300
x220
x8
x12
H300
x250
x8
x12
H350
x260
x8
x12
H350
x260
x8
x14
H400
x260
x10
x14
钢材总用量（t）
80.5
85.2
91.8
96.7
106.7
120.7
135.2
154.5
171.6
单位用钢量
（kg/m2）
56.6
52.5
50.2
47.6
47.8
49.5
51.2
54.3
56.3

根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W与柱网尺寸的关系图曲线(如图3)：

图3：单位用钢量W与柱网尺寸关系曲线

由上图曲线可知，W4<W5<W6<W3<W7<W2<W8<W9<W1，6.0m为最经济合理柱距，6.6m与7.2m次之。

（3）、在屋（楼）面活荷载取6.0 KN/m2情况下

表3：在屋（楼）面活荷载取6.0 KN/m2情况下，钢结构厂房的含钢量

方案三
方案（1）
方案（2）
方案
（3）
方案（4）
方案（5）
方案（6）
方案（7）
方案（8）
方案（9）
开间L0（mm）
4200
4800
5400
6000
6600
7200
7800
8400
9000
恒载（KN/m2）
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
活载（KN/m2）
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
6.0
梁
截面
ZL-1
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H500
x200
x10
x12
ZL-2
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
H500
x200
x10
x12
CL-1
H350
x160
x6
x8
H350
x160
x6
x8
H350
x180
x6
x8
H350
x180
x6
x8
H350
x180
x6
x10
H400
x180
x6
x10
H400
x180
x8
x10
H400
x200
x8
x12
H450
x200
x8
x12
柱截面
H350
x250
x8
x14
H350
x250
x8
x14
H350
x250
x8
x12
H350
x250
x8
x14
H350
x260
x8
x14
H350
x260
x8
x14
H400
x260
x10
x14
H400
X300
x10
x14
H450
X300
x10
x14
钢材总用量（t）
98.7
104.4
111.4
117.1
126.4
139.9
153.8
175.8
201.4
单位用钢量
（kg/m2）
69.4
64.3
60.9
57.7
56.6
57.4
58.3
61.8
66.1

根据上述计算结果绘出钢框架结构单位用钢量W与柱网尺寸的关系图曲线(如图4)：

图4：单位用钢量W与柱网尺寸关系曲线

由上图曲线可知，W5<W6<W4<W7<W3<W8<W2<W9<W1，6.6m为最经济合理柱距，7.2m与6.0m次之。
由以上试验可得，钢框架结构比较经济的柱距是6.0m~7.2m之间。

四、结论
钢框架结构的柱网尺寸不应太小，对于那些开间不大、层高不高、功能比较固定的多层建筑，采用砖混结构就可以很好地满足建筑的功能要求，造价要比钢框架结构低得多；钢框架结构的柱网尺寸亦不可太大，大柱距对梁的要求较高，不仅会增加工程造价，还会占用更多的空间，减少空间使用率。对于像展览厅、体育馆等有更大空间要求的结构，框架结构已经不再是最佳选择，这时，更经济的结构形式也许是管桁架或者网架结构[6]。
通过以上分析我们可以看出，任何一种结构体系都有它的适用范围，在一定情况下它是合理的，超出了它的使用范围，就不能很好地发挥它的优越性，钢框架结构也是这样。根据功能的需要，选择合适的柱网尺寸，是发挥框架结构优越性的重要方面。而合适的柱网有其内在规律，需要针对不同的功能要求、工程造价、建筑设备[7]、建筑经济、施工难易程度等各种因素综合分析比较，只有这样，才能确定出符合功能要求、经济适用的柱网尺寸，使建筑设计取得更好的经济效益和社会效果。

参考文献

[1] 王心田. 建筑结构体系与选型. 上海：同济大学出版社，2003.
[2] 何亚伯，杨海红，张海涛. 建筑工程经济与企业管理. 武汉：武汉大学出版社，2005.
[3] 钢结构设计规范（GB 50017-2003）.北京：中国计划出版社，2003.
[4] 建筑结构荷载规范（GB 50009-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5] 孟新田，崔艳梅，谢治英，韩英爱.土木工程概预算与清单计价. 北京：高等教育出版社，2006.
[6] 杜文风，张慧.空间结构.北京：中国电力出版社，2008.
[7] 王继明，卜城，屠峥嵘，杨旭东，谢庚.建筑设备.北京：中国建筑工业出版社，2007.