重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

繆洪文

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051)

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

繆洪文

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司，云南昆明650051)

在冶金工業(yè)廠房設(shè)計中，為了滿足生產(chǎn)的需要，廠房設(shè)置起重量超過100 t的吊車，廠房屬于重型廠房。針對重型廠房的特點，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求和設(shè)計經(jīng)驗，闡述了設(shè)計要點和設(shè)計應(yīng)注意的事項等，確保廠房結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟。

廠房;鋼結(jié)構(gòu)建筑;建筑設(shè)計

0 引言

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點是吊車的額定起重量大(≥100 t);廠房的高度較高(一般軌頂標(biāo)高≥20 m);廠房的開間尺寸大(＞9 m)。為了保證重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全性及經(jīng)濟性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意以下幾個方面:①需合理確定軸線尺寸、柱網(wǎng)尺寸;②選擇合理的柱子類型與截面;③選擇合理的結(jié)構(gòu)受力體系;④選用合理的屋蓋類型和屋蓋支撐;⑤保證結(jié)構(gòu)計算分析的準(zhǔn)確性;⑥合理確定控制指標(biāo)。

1 確定軸線尺寸、柱網(wǎng)尺寸

確定軸線尺寸、柱網(wǎng)尺寸首先需滿足生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)本身的要求，同時還需經(jīng)濟合理，遵守《廠房建筑統(tǒng)一化基本規(guī)則》《建筑統(tǒng)一模數(shù)制》的規(guī)定。廠房的跨度軸線尺寸L，見圖1。

式中:A1、A2由結(jié)構(gòu)要求確定，吊車的軌距S以及吊車輪子中心至橋架端部的長度B由設(shè)備廠家提供。當(dāng)?shù)踯嚵喉斣O(shè)置安全通道時，凈空尺寸C≥400 mm;當(dāng)?shù)踯嚵喉敳辉O(shè)置安全通道時C≥80 mm。當(dāng)計算出的跨度尺寸L≤18 m時，取3 m的倍數(shù)，當(dāng)L＞18 m時，取6 m的倍數(shù)。從綜合經(jīng)濟效果考慮，重型廠房鋼結(jié)構(gòu)框架(排架)以24～36 m較為合理。

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱距應(yīng)比傳統(tǒng)的6 m更為擴大，在滿足工藝的前提下應(yīng)以9～12 m較為適宜，當(dāng)有特殊要求時可采用15 m或更大的柱距。為滿足結(jié)構(gòu)本身的要求，使房屋的結(jié)構(gòu)需具有足夠的橫向剛度，應(yīng)盡可能將柱布置在同一橫向軸線上，以使柱與屋架或橫梁組成橫向框架(排架)結(jié)構(gòu)體系。

圖1 軸線尺寸計算圖Fig.1 Calculation of Axis Dimension

2 柱類型與截面選型

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的荷載大，結(jié)構(gòu)高度高，柱子需采用階形格構(gòu)式柱，一般由實腹上柱和格構(gòu)式下柱組成，上柱和下柱之間用肩梁連接。格構(gòu)式下柱需設(shè)吊車肢，以便吊車梁直接支承在吊車肢上，以確保重型吊車的運行安全。柱的截面高度一般按1/15～1/10的柱高確定，柱的截面寬度一般取1/30～1/20平面外支點之間距離，并且為柱截面高度的1/4～1/2，典型重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱形式見圖2。

3 合理的結(jié)構(gòu)受力體系

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)受力體系由橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)組成，它們和吊車梁結(jié)構(gòu)體系(吊車梁及其制動桁架)、柱間支撐、房屋外圍墻架、屋蓋結(jié)構(gòu)體系等共同組成空間骨架。

橫向結(jié)構(gòu)受力體系是由柱和屋架(或橫梁)組成的橫向框架(或排架)結(jié)構(gòu)，它是廠房的基本承重結(jié)構(gòu)，承受屋面荷載、橫向風(fēng)荷載、地震作用和吊車的豎向及橫向水平荷載。橫向框架(或排架)結(jié)構(gòu)的柱腳通長采用剛接柱腳，當(dāng)?shù)鼗壮料輹r柱與屋架(或橫梁)的連接宜鉸接，地基較好時宜采用剛接。

縱向結(jié)構(gòu)受力體系由柱、托架(用于大柱距)、柱間支撐、吊車梁等構(gòu)成。其作用是保證廠房的縱向剛度，承受縱向荷載(縱向地震力、縱向風(fēng)荷載、吊車縱向制動力)，并將其傳給基礎(chǔ)?？v向結(jié)構(gòu)需在柱頂設(shè)置通長的剛性桿，每個柱列在廠房結(jié)構(gòu)單元兩端的開間內(nèi)設(shè)置上柱支撐，在廠房結(jié)構(gòu)單元的中部區(qū)段同時設(shè)置上柱支撐和下柱支撐。當(dāng)設(shè)防烈度為7度結(jié)構(gòu)單元長度＞120 m;8度、9度結(jié)構(gòu)單元長度＞90 m時，需在柱列中部均勻設(shè)置兩道上柱支撐和下柱支撐，并且其間距需≤0.6倍容許縱向溫度區(qū)端長度。由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱的截面高度高，柱間支撐需設(shè)置為雙片支撐，上柱沿柱兩翼緣內(nèi)側(cè)設(shè)置，下柱沿兩柱肢設(shè)置，柱間支撐的傾角一般控制在30°～50°。典型的縱向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系見圖3。

圖3 縱向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系圖Fig.3 Longitudinal Lateral Resistant Structure System

4 合理的屋蓋類型與屋蓋支撐

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的跨度及柱距均較大，屋蓋類型一般采用鋼屋架承重的有檁輕型屋蓋，其受力結(jié)構(gòu)一般由鋼屋架、檁條、支撐(含系桿)、托架組成。在重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，屋蓋支撐對屋蓋結(jié)構(gòu)安全和對廠房的用鋼量起著非常重要的作用，屋蓋支撐的設(shè)置原則:①要能可靠的傳遞水平力;②保證屋蓋結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定、整體剛度、空間整體性，為桿件提供側(cè)向支承;③保證結(jié)構(gòu)安裝時的穩(wěn)定。

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房屋蓋設(shè)計時建議將鋼屋架設(shè)計成上承式屋架，相應(yīng)的將水平支撐布置在傳遞屋架支座反力平面的屋架上弦平面內(nèi)，屋架下弦平面則布置系桿為屋架下弦提供側(cè)向支承，以減小弦桿平面外的計算長度。由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的開間較大，為了節(jié)約支撐系統(tǒng)的用鋼量，屋架上弦平面可以用檁條兼作水平支撐中的直撐，讓支撐桿件與檁條組合成組合支撐，而對屋架下弦的通長系桿則可用檁條兩端設(shè)置隅撐來代替。通過上述方法，減小了支撐桿件的計算長度，從而減少屋蓋支撐系統(tǒng)的用鋼量。組合支撐形式及隅撐代替通長系桿的方式見圖4。

圖4 組合支撐及隅撐示意圖Fig.4 Schematic of Combination Support and Bracket

5 保證結(jié)構(gòu)計算分析的準(zhǔn)確性

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房需進行橫向及縱向結(jié)構(gòu)計算分析，可選用PKPM系列的重型廠房STPJ軟件進行計算分析。由于計算分析由計算機完成，計算分析的準(zhǔn)確性主要取決于計算模型、輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)的完整性和正確性。針對重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)的計算分析，需重點注意以下問題;

(1)應(yīng)根據(jù)廠房的豎向布置(等高或不等高)、起重機設(shè)置、屋蓋類別等情況，采用與廠房結(jié)構(gòu)實際工作情況相適應(yīng)的計算模型計算。平面規(guī)則、抗側(cè)剛度均勻的輕型屋蓋廠房可按平面框架計算，否則需采用考慮屋蓋彈性變形的空間分析方法計算。

(2)重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的阻尼比與其它的鋼結(jié)構(gòu)房屋不同，《GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的阻尼比取0.045～0.05，結(jié)合重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)特點，建議阻尼比取0.045。

(3)規(guī)范未規(guī)定單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震等級，由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的高度＜50 m，根據(jù)以往的震害統(tǒng)計，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的震害較輕，筆者建議按《GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8.1.3條，房屋高度＜50 m的情況確定結(jié)構(gòu)的抗震等級。

(4)由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上有加勁肋、連接節(jié)點板、連接螺栓等，由設(shè)計選用的截面計算出的自重需乘以增大系數(shù)。對于階形柱上柱乘以1.1;格構(gòu)式下柱及屋架乘以1.4;輕中級工作制吊車的吊車梁乘以1.2;重級工作制吊車的吊車梁乘以1.4。

(5)格構(gòu)式下柱支承吊車的吊車肢，當(dāng)?shù)踯嚵褐ё鶠槠桨迨街ё鶗r，應(yīng)計入由于相連兩臺吊車支座反力差所產(chǎn)生的在框(排)架平面外的彎矩對吊車肢的影響。吊車肢平面外的縱向彎矩My=(R1－R2)C，式中R1，R2為相連兩吊車梁最大支座反力，C為吊車梁反力中心線至柱中心的距離。

(6)應(yīng)考慮圍護結(jié)構(gòu)對廠房結(jié)構(gòu)剛度的影響進行結(jié)構(gòu)自振周期的修正。根據(jù)《JGJ 99－98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)房屋的周期修正系數(shù)為0.9。由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房僅四周設(shè)圍護墻，同時屋蓋以及維護墻一般采用壓型鋼板或壓型鋼板面夾芯板，為輕質(zhì)材料，其剛度較小，建議重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的周期修正系數(shù)取0.95。

(7)需嚴(yán)格按《GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第5.3.4條確定階形柱平面內(nèi)的計算長度，并考慮空間作用對計算長度的折減。由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房一般采用有檁輕型屋蓋，計算長度的折減按非大型砼屋面板的情況按規(guī)范確定。單跨有縱向屋蓋水平支撐時取0.8，單跨無縱向屋蓋水平支撐時取0.9，多跨有縱向屋蓋水平支撐時取0.7，多跨無縱向屋蓋水平支撐時取0.8。平面外的計算長度則取支承點之間的距離。

(8)由于廠房的縱向主要由柱間支撐抵抗水平地震作用，柱間支撐在地震力作用下有可能屈曲狀態(tài)，也可能不屈曲狀態(tài)，這兩種狀態(tài)下與柱間支撐相連的柱子受力差異較大，在縱向柱列計算時應(yīng)計入柱間支撐桿件屈曲的地震作用效應(yīng)。

(9)8度時跨度＞24 m的屋架、9度時跨度＞18 m的屋架、8度與9度時支承跨度＞24 m屋架的托架以及設(shè)備荷載較大的屋蓋橫梁(屋架)需計算豎向地震力的作用。

6 合理確定控制指標(biāo)

在重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中需重點控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長細(xì)比、柱的水平位移、受彎構(gòu)件的撓度等，應(yīng)重點控制以下指標(biāo):

(1)根據(jù)《GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，柱軸壓比＜0.2時其長細(xì)比≤150，軸壓比＞0.2時其長細(xì)比由于柱子是廠房最重要的承重構(gòu)件，同時為了確保結(jié)構(gòu)剛度，建議將重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱長細(xì)比控制在60～100范圍。

(2)柱的綴條、吊車梁以下的柱間支撐、桁架的受壓桿件規(guī)范規(guī)定容許長細(xì)比為150，考慮到重型廠房柱有重級工作制大噸位的吊車，同時屋蓋一般懸掛有檢修吊車所用的單軌吊，為了防止剛度過小引起震顫帶來的不利影響，建議長細(xì)比≤120。

(3)屋蓋支撐、吊車梁以上的柱間支撐壓桿則按規(guī)范規(guī)定的容許長細(xì)比200控制。鋼屋架下弦桿、重級工作制吊車桁架的下弦桿一般為拉桿，按《GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第5.3.9條中有重級工作制吊車的情況控制長細(xì)比，其拉桿的容許長細(xì)比鋼屋架下弦桿為250，重級工作制吊車桁架的下弦桿為200。屋蓋支撐的拉桿建議按350控制。

(4)由于廠房的縱向主要由柱間支撐抵抗水平地震作用和耗散地震能量，柱間支撐是震害多發(fā)部位。柱間支撐應(yīng)保證能通過節(jié)點連接有效傳遞地震作用，柱間支撐與構(gòu)件的連接≥支撐桿件塑性承載力的1.2倍，支撐桿件的截面應(yīng)力比≤0.75。

(5)廠房框(排)架的板件寬厚比的限制是保證廠房框架(排)延性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是影響單位面積耗鋼量的關(guān)鍵指標(biāo)。由于重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用輕型屋蓋，按《GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，輕型屋蓋廠房塑性耗能區(qū)板件寬厚比限制可根據(jù)其承載力的高低按性能目標(biāo)確定。塑性耗能區(qū)外板件寬厚比限制可采用現(xiàn)行《GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》彈性設(shè)計階段的板件寬厚比限值。

(6)重型廠房有大噸位的吊車，并且一般為重級工作制，需控制吊車梁頂面處由一臺最大吊車水平荷載所產(chǎn)生的橫向位移不超過Hc/1 250，縱向位移不超過Hc/4 000，且在風(fēng)荷載作用下的柱頂位移不超過H/400(Hc為基礎(chǔ)頂至吊車梁頂面的距離，H為柱總高)。

(7)受彎構(gòu)件的撓度值按下列要求控制:吊車梁以及吊車桁架不超過l/1 200，屋蓋桁架在所有荷載作用下不超過l/400，在活載作用下不超過l/500，抗風(fēng)桁架(作為連續(xù)支柱的支承時)不超過l/1 000，帶有玻璃窗的橫梁(豎向和水平方向)不超過l/200。若為了控制受彎構(gòu)件的撓度而計算出的構(gòu)件應(yīng)力比過小，在不影響使用和觀感的前提下，可對上述容許撓度值進行適當(dāng)調(diào)整和對受彎構(gòu)件預(yù)先起拱，以節(jié)約投資。

7 結(jié)語

重型單層鋼結(jié)構(gòu)廠房有其自身的結(jié)構(gòu)特點，在滿足工藝配置和使用要求的前提下廠房的跨度取24～36 m;開間尺寸取12 m;采用由設(shè)有吊車肢與屋蓋肢的階形格構(gòu)式柱和屋架構(gòu)成的橫向結(jié)構(gòu)受力體系;采用由柱、托架(用于大柱距)、柱間支撐、吊車梁等構(gòu)成的縱向結(jié)構(gòu)受力體系;采用經(jīng)濟合理的屋蓋支撐系統(tǒng)和屋蓋支撐形式;采用PKPM系列的重型廠房STPJ軟件進行計算分析，并正確確定計算模型、計算參數(shù)、系數(shù)和合理確定控制指標(biāo)，最終確保廠房結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟。

[1]中華人民共和國住宅和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊第3版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]包頭鋼鐵設(shè)計研究院，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算第2版[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

Features of Structure Design for Heavy Monolayer Steel Structure Workshop

MIAO Hong－wen
(Kunming Engineering＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

In metallurgical industrial workshop design，in order to meet the production requirements，a crane of lifting weight more than 100tons will be set up in the plant which belongs to heavy workshop.In light of the of heavy plant characteristics and combined with the requirements of relevant standard and design experience，key points for the design and matters which should be paid attention to were elaborated so as to insure the safety and economy of workshop structure.

factory building;steel structure building;architectural design

TU391

A

1004－2660(2012)01－0039－05

2011－01－23.

繆洪文(1966－)，男，云南人，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師.主要研究方向:重型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計.E－mail:503278177@qq.com