鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的設計

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在我國的建筑工程中廣泛應用，它具有強度高，自重輕，韌性好，塑性好以及結(jié)構(gòu)可靠性高等特點，本文筆者將結(jié)合具體工程實例，簡要探討鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房中的設計，并對其中的主要設計要點進行分析，希望能對類似鋼結(jié)構(gòu)工程起到借鑒作用。

【關鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；工業(yè)廠房；結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

1、工程概況

本工程為某市一個高層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，該廠房的總高度為30m，一共有5層，每層的高度為6m，每次一共有10跨，廠房的具體尺寸為長49m，寬14m。廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為空曠，在其中沒有布置維護墻體，局部樓層不存在鋪板，主要為全房間洞口。本廠房內(nèi)一共布置有2套的壓力容器，所在位置為二樓樓面，其自重荷載為2500～46000kN，該儀器體型較大。而在其他樓層內(nèi)布置有各種小型的設備，同時在樓層內(nèi)布置較多的連通管道。由于本廠房內(nèi)設備和管道較多，因此在樓面需要預留較多的孔洞，這在一定程度上給廠房的結(jié)構(gòu)布置造成了難度。本廠房內(nèi)所布置的全部柱子采用的材料為焊接H型鋼，這些柱子所承受的豎向荷載較大，最大值可達到3100kN。而框架梁與次梁的所采用的材料大部分為軋制H型鋼，僅在二層處存在幾根框架梁采用與柱子相同的材料。樓面采用的材料為花紋鋼板，其厚度取為8mm，樓面所受到的活動荷載達到5kPa。

2、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設計要點

2.1廠房結(jié)構(gòu)的選擇

根據(jù)本廠房的使用功能和具體的情況，對于本廠房結(jié)構(gòu)設計采用的體系支撐和鋼架相結(jié)合的體系。廠房橫向采用鋼連接框架式體系，在縱向則采用支撐和鋼架相混合的形式，通過縱橫兩個方向結(jié)構(gòu)體系的作用來抵抗水平力的作用。本廠房所采用的混合結(jié)構(gòu)體系可以有效的降低柱子的縱向彎矩，但是這種體系對樓面的剛度提出了較大的要求。剛度如果無法滿足要求的話，會使各個柱子的變形量相差較大，不能協(xié)調(diào)一致，這樣就無法充分發(fā)揮柱子的支撐作用。同時本工程樓面采用的花紋鋼板，它對鋼筋混凝土的取代提高了廠房的整體性能。在廠房內(nèi)沿著縱橫兩個方面均布置有水平支撐，這樣在一定程度上提高了樓層的剛度。

2.2次梁的設計

在進行次梁的設計時，應避免次梁出現(xiàn)較大的撓度，因為較大的撓度會給人不安全的感覺，同時還會對廠房的使用功能造成影響，因此本廠房在進行樓層平面梁格的布置設計時，不僅考慮到了鋪板的最大支承長度的要求，也考慮了機械設備的具體情況。對鋪板和梁的相互作用進行分析，可以知道本廠房的鋼板與梁之間具有較好的連接，這樣表明這兩者之間可以形成有效支撐，因此無需再次進行梁的整體穩(wěn)定性計算。如果鋼板和連梁在進行焊接時，只在兩端進行了連接，而沒有對中間進行焊接，這樣在進行梁平面外穩(wěn)定性的計算時，只能按照跨中無側(cè)向支撐的情況進行分析。雖然次梁所受到的荷載較小，但是也應采用軋制H型鋼，而不應采用普通槽鋼，這是因為普通槽鋼平面外穩(wěn)定性較差，不能滿足要求。

2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

本工程在進行鋼結(jié)構(gòu)廠房的設計時，對于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析可以采用的軟件為STS、SATWE和TAT等軟件，通過軟件建立計算結(jié)構(gòu)模型，接著在對模型施加荷載，并根據(jù)計算結(jié)果對鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間受力特性進分析，對并桿件的截面進行驗算。在進行鋼結(jié)構(gòu)受力分析時，應注意以下幾點：

（1）鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有較為復雜的梁格布置，當采用計算軟件進行建模時，如果嚴格根據(jù)具體的工程廠房情況，這樣需要布置較多的近節(jié)點，數(shù)量較多的近節(jié)點會造成計算結(jié)果出現(xiàn)較多偏差。因此在進行鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進行建模時，應進行適當?shù)暮喕@樣才能確保計算結(jié)果的可行性。

（2）通過采用柱間對立面網(wǎng)絡進行簡化，把它當做受力桿件輸入到結(jié)構(gòu)模型里。支撐的剛度與廠方縱向抗側(cè)剛度有著直接的影響作用，而柱間支撐會對兩側(cè)的柱腳產(chǎn)生不利的影響，當柱腳受到復雜荷載的影響，在使得柱腳的錨栓產(chǎn)生較為明顯的上拔作用，這會直接增大柱腳所受到的剪力作用。

（3）對柱間支撐的桿件進行確定，通常情況下，對于廠房的柱間支撐，往往采用的是剪刀撐的形式，在設計中根據(jù)設計要求，可以對兩種受力形式進行選擇，分別為壓桿和拉桿。如果采用壓桿作為支撐的話，則可以通過計算軟件直接對結(jié)構(gòu)進行驗算；如果采用拉桿作為支撐的話，計算軟件得到的結(jié)果會是強度驗算不符合要求，這是因為拉桿在計算軟件中是無法將其處理成單欄桿的形式，不過這并不影響計算軟件對廠房結(jié)構(gòu)空間受力特性的分析結(jié)果。因此在進行拉桿的設計時，設計人員應通過筆算對拉桿的強度進行驗算。

（4）確定彈性樓板模型。當采用TAT與SATWE程序?qū)S房結(jié)構(gòu)進行計算時，可以不用考慮樓層的約束作用，采用彈性節(jié)點的處理方法。在本工程廠房的設計中，在樓層之間有設置一定數(shù)量的水平支撐，因此在軟件計算中可以假設樓層水平剛度無限大，通過軟件的計算結(jié)果可以看出，假設與否對計算的結(jié)果并沒有太大的影響，同時可以驗證樓層內(nèi)水平支撐可協(xié)調(diào)柱子的變形。

2.4節(jié)點的設計要點

為了確保鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的安全可靠以及經(jīng)濟可行，本工程對節(jié)點進行設計?？蚣芎椭墓?jié)點是本工程中需要重點注意的節(jié)點。節(jié)點的安全性能可以通過強度和延性進行控制。本工程中主要采用的節(jié)點連接方式有剛性連接和柔性連接兩種。剛性連接的節(jié)點主要采用全焊接連接和栓焊接混合連接。全焊接連接節(jié)點的梁翼緣和腹板全部焊接在柱子上，全焊接連接節(jié)點具有強度高，工程成本低以及材料應用少的特點，但是在施工中需要進行大工作量的焊接，同時需要在高空進行施工；而栓焊混合連接節(jié)點的翼緣運用熔透焊縫連接，腹板使用高強螺栓連接，栓焊接混合連接節(jié)點具有與全焊接連接同樣的優(yōu)點，但是前期工作量大，同時工程造價高。柔性連接能夠較好的實現(xiàn)作用力的傳遞，可以將其看成是鉸接形式，它具有延性好，抗震變形能力強的特點，同時在力的作用下不會出現(xiàn)脆性破壞。

2.5采用軋制H型鋼的注意事項

在工業(yè)廠房中采用軋制H型鋼能夠提供工程速度，加快工程施工進度，同時能夠極大的節(jié)約鋼材料和工作量。但是在進行軋制H型鋼的使用時必須特意注意其不利影響。目前在我國的工業(yè)廠房建設中，通常是不考慮采用軋制H型鋼的。通常情況下，軋制H型鋼的厚度較薄，而工業(yè)廠房在柱子中往往具有較大的軸力，這就要求所采用的鋼板具有較厚的腹板和翼緣，但是又對截面的尺寸有一定限制。軋制H型鋼采用的是全截面拼接的方式，這會給工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)帶來一定的不安全因素。但是如果采用定尺型鋼的話，這不僅會對材料的利用率造成不利的影響，同時還會大大的延長工期，對工程進度的控制帶來不利影響，同時在進行定尺型鋼的使用時，還應對拼接位置進行確定，這是使用的另一個難點。

3、結(jié)語

文章通過結(jié)合具體工程實例，對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設計展開探討，針對鋼結(jié)構(gòu)廠房中的結(jié)構(gòu)布置、受力分析以及節(jié)點設計等環(huán)節(jié)提出了相應的設計要點，針對鋼結(jié)構(gòu)廠房設計中遇到問題提出了合理的建議，為同行提供參考借鑒。

參考文獻

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