钢结构中大跨度的造价分析

钢结构中大跨度的造价分析

摘要：本文结合工作经验，主要对钢结构大跨度屋盖系统不同形式作出分析，并对加工、安装以及后期维护作了阐述，总结了目前钢结构大跨度结构常见的三种形式用钢量的情况，影响原因，仅供同行参考。 关键词：钢结构；大跨度；屋盖；造价 我们对钢结构大跨度屋盖系统最常采用的主要受力形式一般分为：① 梁；②平面桁架；③ 空间网架；④ 空间桁架；⑤张拉弦结构。 由于对造价非常敏感的一般为常规建筑，对于超大跨度的建筑由于甲方可参考结构很少，所以一般对造价并不太敏感，我们把跨度范围锁定在18 m一36 m范围内。虽然按照力学原则梁系结构受力性能不如平面桁架，平面桁架受力性能不如空间桁架，空间桁架不如带预应力的张拉弦结构，但由于加工水平不同，对结构本身的研究深度不同，所采用的计算假定不同，用钢量却反了过来。加工的复杂程度、施工的复杂程度，要求精度是从梁系结构到张拉弦结构越来越难。

综合以上因素，门式刚架项目及施工企业遍地开花，几乎把屋架类的平面桁架，挤出了历史的舞台，而网架、空间桁架等，退居跨度非常大，屋面刚度或外观有特别要求的公共建筑方面。 1 分析比较

下面我们用大量的例子做数据分析比较，讨论一下各种类别结构在含钢量，加工难度上的优缺点。(由于空桁、张拉弦加工，施

工难度很大，工程经验不丰富，暂不在本次考虑之内)为了便于比较，外部荷载采用统一的标准，按一种最常见荷载情况，风荷载采用0．45 kn／m ，雪荷载采用0．45 kn／m ，未注明柱距采用7．5 m屋架类平面桁架。(1)含钢量(第一排为跨度，第二排为含钢量单位

kg／m ，第三排为考虑支撑后的含钢量)柱距7．5 m。

根据双跨，24×180×7．5(m)厂房计算支撑系统，含钢量7．2 kg／m 。支撑系统跟柱距，跨度关系不太大。上表统一按7．2 kg／m 考虑，可见由于平面桁架力学模型占优，单从主构上含钢量是相当占优势的。但由于计算假定，计算理论的落后，严重影响了整体的含钢量，经计算发现支撑系统，所占的含钢量非常大，综合在一起一下就超过了门式刚架的含钢量。现在比较一下主构，相同条件下应力比0．9(各部分基本都达到这个应力比，经过优化)的门式刚架27×7．5含钢量11．5 kg／m ，且采用的是q345钢。即使采用混凝土柱+钢梁(虽应用较多理论不太成熟)也要10．8 k m (虽然少了钢柱，但由于柱端较难制成固端，往往采用简支，受力性能不好，含钢量并没有减小太多，却造成安装的困难)。屋架有百分之十左右的优势。但门刚的支撑系统所占含钢量只有1 kg／m 左右。这主要是因为门刚的计算假定认为屋面的檩条和隅撑即可充当平面外支点，而屋架必须采用上下弦单独的刚性系杆，对于屋面支撑系统，

门刚通过张紧的圆钢，而屋架采用的是考虑受压的角钢，如果同样采用压型钢板及冷弯檩条，在没有大型荷载的情况下，屋架采用如此强的支撑系统是过于保守的。所以可以说目前常规做法及相关理论的滞后，造成屋架比门刚费钢的假象。目前屋架有一定新的发展，例如不采用角钢，省略节点板采用相贯焊接的薄壁钢管相贯焊接屋架。

2 加工，安装及后期维护

这三个问题是屋架比较大的弱点，也是空间桁架和张拉弦结构的一个大的弱点。屋架由于跨度大，不能整榀运输，往往采用现场焊接拼装，由于焊缝繁多，双角钢除锈存在大量死角，没有简单可靠的拼接节点，这样加工量大，施工周期长，除锈麻烦，这就使得普通屋架，具有较大的劣式。但是如果采用冷弯钢管屋架时，除了需要相贯切割，焊接机以外(价格较高一般企业不具备购买能力)，其他的劣势就不难么突出了，此种屋架也可以采用法兰式全栓接拼接节点，除锈面积小。只是视觉上略显笨重。 3 平面网架

(1)含钢量(第一排为跨度，第二排为含钢量单位kg／㎡ ) 表2

可以看出采用网架在含钢量上并没有优势，这个现象非常奇怪，本身网架结构体系是个非常合理的计算模型，并且采用满应力设

计，含钢量却非常高，仔细分析细节我们会发现有四个重要的原因。 第一，网架有一个最小截面的要求，主要考虑的是初挠曲的因素。

第二，网架由于加工量的考虑，杆件的种类不超过五种，考虑这样两个因素，即使采用满应力设计之后，仍有大量低应力杆件。 第三个，也是最重要的，为了安装方便，采用了螺栓球这种特殊的节点，球体大小对受力并不贡献(大小只与杆件安装距离有关)但却占到整体含钢量的10％ ～30％ ，这个无贡献的部分比重很大。不过由于檩条跨度小，往往比门刚的檩条含钢量低1 kg／m 一2 kg／m 。

第四点，由于普通厂房一般为狭长体形，网架往往单向支撑，且柱本身的抗侧刚度比较弱，这样网架的受力模型往往趋近于支座可有限移动的单向受力体系，由于这个特点网架的空间受力特点往往发挥不出来造成含钢量提高。

上面的表格中网架的含钢量指得是一般厂房采用的网架，实际上如果是公共建筑网格的尺寸往往是矩形或方形，且由于支撑网架的柱子通过框架梁和其他柱子联合产生的抗侧刚度很大，这时网架的含钢量是相当低的。

例如：一个27 m×27 m的正放四角锥网架，荷载同默认荷载，支座约束为，x，y，z三个方向都约束的标准铰支座，这时网架的含钢量为12．1 kg／in 。若采用抽空四角锥的话，含钢量可达到

11．16 ke／nl 。综合檩条，比高应力比的门钢含钢量还低10％．并且采用的q235钢，材料还会便宜一些。综合安全度，屋盖刚度都远大于各部分都接近极限的门式刚架。

综合考虑当屋面有大的荷载，有要求灵活布置的吊车时，或者跨度大于40 m时，网架都显示了很大的优势。 4 制作安装

制作安装上，网架非常消耗人工，螺栓球的制作需要特别的削切工具，加工精度要求很高，小厂较难完成。焊接球现场焊接量非常大，检测困难，质量难以保证，整个的施工工期是门钢的几倍，加工量大，设备要求高，安装要采用满堂架或大型起重设备，这样一来常规厂房采用网架系统并不占优势。但网架形状随意，外形美观，刚度大，安全度高，运输非常方便，在40 m以上跨度，采用抽空四角锥，含钢量还是具备一定优势的。。目前有种新类型的网架，上，下弦采用冷弯槽钢，取消上弦节点，下弦节点采用节点盒。屋面板直接固定到上弦槽钢上，省去檩条。工厂内直接加工好一个个锥体。这样含钢量比一般网架降低20％ ，安装量也大大降低。加工的难度也大大降低，是种值得关注的新形式。由于实际工程较少，在特别重要的工程还是应当慎用的。

由于上面两种结构都属于桁架类，杆件都是只考虑轴力，依靠程序设计，人为优化的程度很小，只有桁架的高度，网架的厚度和网格大小是我们需要考虑的，其他均为程序自行考虑。所以此两类

结{萄结构选型的意义大于构件优化的意义。 5 门式刚架

(1)含钢量(第一排为跨度，第二排为柱距，第三排为含钢量单位kg／m ，第四派为有两台5吨吊车时主构，不包括吊车系统的含钢量)。 表3

材质为q345，有吊车时柱脚固接

上面数据表明门式刚架在计算理论上非常深入先进，虽然基本的受力模式没有优势可言，但整体含钢量却能把其他结构比下去一大截，加之其构造非常大胆简洁，使其在支撑系统上的含钢量也几乎可以忽略，在另一方面，理论的深入致使结构在计算模型上安全余量很低(如果抛开蒙皮效应)，加上加工设备门槛低，只要采用简单的组立机，自动焊机就能形成一个加工厂，每年由风雪等自然因 素产生的倒塌破坏非常之多。抛开上述问题，它的含钢量确实非常低，工期短，地基易处理，对于厂房来说是个非常有优势的体系以下看一个比较(第一排为跨度，柱距7．5，第二排为含钢量单位kg／m )。表4

这是国标标准图上的含钢量，采用q235。 6 小结

以上总结了目前钢结构大跨度结构常见的三种形式用钢量的情况，影响原因，以供结构设计人员参考。 注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看