多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

王 旭

(太原熱力設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030006)

多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

王 旭

(太原熱力設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030006)

結(jié)合多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，對常用的框架支撐體系、純框架體系、鋼架加支撐混合體系進(jìn)行了論述，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算兩方面著手，探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的問題，以不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。

工業(yè)廠房，結(jié)構(gòu)體系，荷載計算

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的單一功能、單一結(jié)構(gòu)的工業(yè)建筑已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)的需求，工業(yè)大廈、聯(lián)合車間等應(yīng)運而生。由于建筑用地緊張以及建筑工藝流程等原因，目前許多多層工業(yè)廠房存在諸多問題，制約著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，值得引起人們的深入思考與總結(jié)?；谶@種現(xiàn)狀，本文對多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)探討，以期有助于提高我國多層工業(yè)廠房的質(zhì)量。

1 多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

正是因多層工業(yè)廠房自身具有的特殊性，因而往往需要較大的大空間，基本上都采用的是框架結(jié)構(gòu)，而工藝條件如果許可，也可以運用框剪結(jié)構(gòu)。要想有效的減小廠房建筑的空間扭轉(zhuǎn)作用，在設(shè)計時需要使房屋的剛度中心與質(zhì)量中心最大程度上達(dá)到相近。同時為了避免應(yīng)力集中導(dǎo)致變形和收縮等情況結(jié)構(gòu)體系要求簡捷、規(guī)則以及傳力明確。

1.1 控制橫縱方向框架周期

對于多層工業(yè)廠房，其十分顯著的特點就在于跨度大且尺寸大，而其中所使用的柱子則比較少，但柱距方面卻完全相反，跨度小、尺寸小，柱子卻相對較多。對于此類狀況，大多需要遵循橫向控制的基本原則，以此使橫向與縱向的抗震能力能夠保持大體相似，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多層工業(yè)廠房的抗震功能，還能最大化的節(jié)約成本，設(shè)計更加體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

1.2 合理布置電梯位置

多層工業(yè)廠房常常需要運輸一些質(zhì)量較重的貨物和設(shè)備，所以在多層工業(yè)廠房中需要設(shè)置電梯以減小工作量以及降低工作難度，而電梯位置布置的是否合理是多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。由于鋼筋混凝土電梯井筒的剛度很大，在運作時可能對建筑物的偏心產(chǎn)生影響，所以在布置電梯時盡量避開建筑物的角落與端部地區(qū)。如果條件不允許或無法避免的情況下，要求隨電梯周邊的樓板以及周圍的框架，采用有針對性的強(qiáng)化措施，由此為電梯的運行提供保障。

1.3 地震區(qū)不宜構(gòu)建多層廠房

我們都知道，地震多發(fā)區(qū)的房屋伸縮縫基本上是合一的，建筑物若存在時間很長，這時往往就需要采取措施，盡可能少的對伸縮縫和防震縫予以設(shè)置，例如提高配筋率、加厚屋面隔熱保溫層及后澆帶的位置設(shè)在結(jié)構(gòu)受力影響最小的區(qū)段等。

2 常用的結(jié)構(gòu)體系

2.1 框架支撐體系

這種結(jié)構(gòu)體系主要是采用柱間支撐代替水平荷載的方式，多層工業(yè)廠房的橫向剛性較大，而縱向成柱支撐體系(見圖1)。這種結(jié)構(gòu)體系成本較低，有較大的經(jīng)濟(jì)性，而柱間支撐非常容易受到不同程度的影響，因而在橫向短且縱向長的多層工業(yè)廠房中比較適用。

2.2 純框架體系

純框架體系的設(shè)計要點是橫縱兩個方向均不設(shè)置柱間支撐，取而代之的是剛接框架。這種設(shè)計體系與框架支撐體系相比最大的優(yōu)勢在于使用空間不受限制，但不宜采用工字形柱，而是采用兩個方向慣性相差不大的截面形式。另一方面，該結(jié)構(gòu)體系使用鋼量大大增加，致使建筑物建設(shè)的成本顯著增多。

2.3 鋼架加支撐混合體系

和第一種結(jié)構(gòu)體系比較可知，鋼架加支撐的混合體系的不同之處就在于把縱向設(shè)計為鋼架、支撐混合形式，依靠的是鋼架、支撐的共同力量，以此將柱的縱向變形予以減少。然而，這一結(jié)構(gòu)體系對樓面的剛度有著較高的要求，否則非但無法達(dá)到設(shè)計的要求，還會使柱出現(xiàn)變形的情況(見圖2)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計中需注意的幾點問題

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計間的協(xié)調(diào)

從總體上來看，多層工業(yè)廠房設(shè)計的最終目的是為了服務(wù)于生產(chǎn)活動，廠房設(shè)計應(yīng)當(dāng)滿足工藝要求，這樣才能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的效益最大化。而在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝設(shè)計中常常出現(xiàn)諸多矛盾，例如需要開洞的是框架梁，而在設(shè)計時卻將應(yīng)當(dāng)沿梁布置的設(shè)備放在了跨中，荷載方面也經(jīng)常出現(xiàn)不合理的情況。針對這個問題，工藝設(shè)計人員與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該充分溝通，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)充分了解工藝布置和工藝要求，工藝設(shè)計人員也應(yīng)該尊重結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的基本要求，使設(shè)計更加合理化，給工藝設(shè)計人員與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員減少不必要的麻煩。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展推動了人類社會的進(jìn)步，計算機(jī)硬件的發(fā)展大大減少了結(jié)構(gòu)計算量，繼而可以使結(jié)構(gòu)工程師真正的從繁瑣的計算中得到解脫，使其有充沛的精力及充足的時間置身于結(jié)構(gòu)方案的選擇及設(shè)計中，促使結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量水平得以提升，工程成本得以減少。從整體上來看，計算機(jī)結(jié)構(gòu)計算需完成以下工作：

1)樓面等荷載的計算?？梢哉f，在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中，荷載計算是其中的基礎(chǔ)及關(guān)鍵所在，荷載取值范圍準(zhǔn)確與否，對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性起著決定性作用。諸如，根據(jù)工程工藝所提出的設(shè)備質(zhì)量、樓面均布荷載、設(shè)備布置圖，來將樓面均布荷載計算出來；因多層工業(yè)廠房的特殊用途，它和多層民用建筑在結(jié)構(gòu)形式以及樓面活荷載等多個方面均有非常多的不同之處，工業(yè)廠房樓面活荷載要求要比多層民用建筑更加的嚴(yán)格。而對于中小型的機(jī)床上樓層、梁上，甚至還涉及到吊車荷載，其主要原因是整個平面內(nèi)幾乎沒有內(nèi)隔墻，所以跨度柱網(wǎng)與層數(shù)相對民用建筑來說要高一些。另一方面，多層工業(yè)廠房的房梁多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與民用建筑相比相對較厚，使整個平面呈現(xiàn)無限大的狀態(tài)。電梯間使用的大多是框架填充墻結(jié)構(gòu)，如果將電梯設(shè)置在端頭的話就會顯得這種結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，所以需要計算出樓面的均荷載；

2)節(jié)點核心區(qū)的抗剪驗算。在框架節(jié)點設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)切實遵循“強(qiáng)柱弱梁更強(qiáng)節(jié)點”進(jìn)行，如果是一級抗震等級、二級抗震等級的節(jié)點，在此基礎(chǔ)上要應(yīng)當(dāng)計算出受剪承載力。對于多層工業(yè)廠房的中心線，切勿有重合問題，如果有重合問題出現(xiàn)，再加上柱的截面大、節(jié)點偏心大，因而對節(jié)點核心區(qū)的構(gòu)造及其受力均會帶來負(fù)面影響。鑒于此，節(jié)點核心區(qū)抗剪驗算尤為重要；

3)裂縫寬度以及罕遇地震驗算。在實際的多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，裂縫寬度驗算是其中不容忽視的一大步驟。在原則方面，混凝土梁的裂縫寬度不允許超出0.3 mm，而在驗算時如果具體結(jié)果明顯要高于規(guī)定要求，則需要借助于鋼筋截面的減少以及鋼筋根數(shù)的增多來將這一問題解決。若采取措施后，所得的驗算結(jié)果依舊無法在規(guī)定的要求之內(nèi)，那么就應(yīng)當(dāng)對柱梁截面加以重新修改。我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，房屋建造物的抗震設(shè)計需要嚴(yán)格遵守的原則為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時的抗震驗算僅僅只能滿足小震不壞這一要求，要想實現(xiàn)中震可修需要加強(qiáng)構(gòu)造，而要想真正實現(xiàn)大震不倒則需要進(jìn)行罕遇地震的驗算。規(guī)定7度～9度時樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)小于0.5的框架結(jié)構(gòu)要進(jìn)行罕遇地震的驗算，而且明確指出結(jié)構(gòu)薄弱層間的彈塑性位移角要比1/50小。通常，多層工業(yè)廠房設(shè)備方面的投資力度要比規(guī)定要求大很多，對此，需要進(jìn)行罕遇地震的驗算工作；

4)電梯井筒相連框架。在以往的電梯計算過程當(dāng)中，大多是根據(jù)純框架來計算，電梯井壁根據(jù)構(gòu)架配筋予以計算，這一計算形式通常安全系數(shù)低，因而需要按照壁式框架把框架部分計算得出的數(shù)值進(jìn)行配筋，電梯井壁則需要根據(jù)剪力墻配筋。與此同時，多層工業(yè)廠房均設(shè)置有多臺吊車，為了操作便利和防控一些意外事故，應(yīng)將一臺吊車作為吊車數(shù)據(jù)輸入，其他吊車則作為活荷載考慮。

4 結(jié)語

盡管我國目前多層工業(yè)廠房設(shè)計結(jié)構(gòu)中存在著許多問題，但也并不是沒有避免和改進(jìn)的可能。對此，可以根據(jù)實際情況選擇最科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)體系并進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計算，對選擇的結(jié)構(gòu)體系予以不斷優(yōu)化，以達(dá)到最佳的設(shè)計。通過各種手段設(shè)計出符合要求的多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，提高我國多層工業(yè)廠房的質(zhì)量。

[1] 王友鵬,孔靜雅.試述工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計及常用體系.黑龍江科技信息,2012(18):288.

[2] 劉 蕓.多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的若干探析.中華民居(下旬刊),2012(10):38-39.

[3] 許建昆.有關(guān)多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計的分析與探討.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(12):236.

Inquiry on structural design of multi-layer industrial workshop

Wang Xu

(TaiyuanThermalDesignInstitute(Co.,Ltd),Taiyuan030006,China)

Combining with structural design points of multi-layer industrial workshop, the paper discusses common frame support system, pure frame system and steel erection adding supporting composite system adopted in industrial workshop design, and explores matters needing attention in structural design from two aspects of coordination and structural calculation of structural design and technological design, with a view to continuously optimize structural design system.

industrial workshop, structural system, load calculation

2015-09-14

王 旭(1963- )，男，工程師

1009-6825(2015)33-0048-03

TU318

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