淺析工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計

周小麗

摘 要：文章由目前工程中常見的工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計做法，探討鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題及其優(yōu)缺點，以及應(yīng)采取的相應(yīng)構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：框架—支撐體系；“三強”抗震設(shè)計準(zhǔn)則；減輕震害剛性連接

中圖分類號：TU391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）09-0001-03

鋼結(jié)構(gòu)以其強度高、自重輕、施工周期短等特點，廣泛應(yīng)用于我國的建筑行業(yè)中，如工業(yè)廠房、高層建筑、大跨度建筑、設(shè)備平臺、管道支架等。

本文通過對工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)平臺梁柱連接做法進行調(diào)查，對不同的荷載工況、工作環(huán)境，不同鋼結(jié)構(gòu)做法進行比較。發(fā)現(xiàn)類似的平臺，要想對結(jié)構(gòu)進行更合理的設(shè)計，降低工程成本，就需要我們對結(jié)構(gòu)做進一步的優(yōu)化。

1 平臺結(jié)構(gòu)的分類

①按照使用要求和使用環(huán)境可分為室內(nèi)和室外平臺，無侵蝕性介質(zhì)的和受侵蝕介質(zhì)影響及散發(fā)輕微侵蝕性介質(zhì)平臺，承受靜力荷載和動力荷載平臺以及輔助操作平臺和中、重型設(shè)備平臺等。

②按照支座處理方式，可分為全部或部分利用廠房原結(jié)構(gòu)支撐的平臺和全部設(shè)柱自成體系的獨立平臺。對存在較大動力或荷載較大的設(shè)備平臺，通常采用獨立柱平臺結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計原則及結(jié)構(gòu)布置

廠房鋼結(jié)構(gòu)平臺的結(jié)構(gòu)布置主要是由工藝設(shè)備配置所決定的，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既能滿足工藝技術(shù)要求，又能在滿足安全、穩(wěn)定的前提下，能最大程度的做到經(jīng)濟、適用。獨立鋼平臺多采用以下布置來滿足結(jié)構(gòu)的承載及穩(wěn)定要求。

2.1 框架—支撐體系

該結(jié)構(gòu)的特點為：支撐一般沿結(jié)構(gòu)兩個方向布置，也可在一個方向設(shè)置支撐，另一方向設(shè)計為純框架。

該結(jié)構(gòu)支撐主要承擔(dān)水平荷載，通過樓板與剛接框架共同形成了雙重的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。支撐底部的層間位移較小，為彎曲型的豎向構(gòu)件。

框架底部的層間位移大，是剪切型的構(gòu)件，這種體系側(cè)向剛度較大、抗震特性良好，在水平力作用下，支撐承受軸向拉、壓應(yīng)力，該結(jié)構(gòu)對增加構(gòu)件強度還是控制變形，都十分有效。

2.2 純框架體系結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)體系承重和抵抗縱橫兩方向的水平力均由框架結(jié)構(gòu)完成。

在地震區(qū)時，框架縱、橫梁一般采用與柱剛性連接，形成兩方向的空間體系，該結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、延性均較強。有一定的空間整體作用。

該結(jié)構(gòu)主要特點是可以形成較大的使用空間，平面布置靈活，可滿足多項使用功能，構(gòu)件易于標(biāo)準(zhǔn)化和定型化，易于施工。

這兩種體系相比較而言，由于框架結(jié)構(gòu)梁柱連接位置節(jié)點域有著較大的剪切變形，而框架柱的腹板、翼緣板、水平加勁板厚度均較薄。

同時框架結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)能力主要決定于梁和柱的受彎能力，要增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，只有增加主框架梁、柱構(gòu)件的截面，而過大截面失去了框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理性。對于框架結(jié)構(gòu)設(shè)有支撐和系桿的主要目的之一就是減小柱平面外的計算長度，使節(jié)點域剪切變形隨支撐體系側(cè)向剛度的增加而銳減，從而減小框架柱的截面。

3 平臺梁與柱連接方式與計算

梁與柱采用鉸接連接時，一種是將梁直接擱置在柱頂，另一種是將梁通過支托連接于柱側(cè)。

3.1 梁與柱剛性連接方式

梁與柱剛性連接方式分為以下幾種。

3.1.1 栓焊混合連接節(jié)點

用全融透的坡口焊縫僅連接梁的上下翼緣與柱的翼緣，而柱翼緣板上的剪力板和梁腹板采用高強螺栓連接。

3.1.2 全焊接節(jié)點

用坡口全融透焊縫連接梁的上、下翼緣，用角焊縫連接腹板與柱翼緣。

3.1.3 全栓接節(jié)點

采用高強螺栓使梁的翼緣、腹板通過T型連接件均柱的翼緣連接，這種方法雖然安裝方便，但節(jié)點剛性不如前兩種連接形式好，實際應(yīng)用并不多。

在PKPM系列鋼結(jié)構(gòu)STS框架連接軟件中提供了梁與柱剛性連接兩種節(jié)點設(shè)計模式：

①按抗震規(guī)范8.2.8條要求校核強節(jié)點弱構(gòu)件。

②抗側(cè)力構(gòu)件連接按等強連接。一般的操作鋼平臺，由于其安全性等級和使用年限要求較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用節(jié)點等強連接即可。而對于一些較重要的多層設(shè)備平臺或與房屋主體建筑共同受力的鋼結(jié)構(gòu)平臺，則節(jié)點設(shè)計需要滿足“三強”抗震設(shè)計準(zhǔn)則，即“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”。對于框架、支撐等桿系構(gòu)件，為防止節(jié)點的破壞先于構(gòu)件破壞，要求節(jié)點的承載力高于構(gòu)件承載力。

3.2 梁與柱剛性連接時應(yīng)驗算的項目

3.2.1 梁和柱的承載力連接

在彈性階段是其連接強度驗算，在彈塑性階段是其極限承載力驗算。

在計算不滿足時，PKPM計算軟件采用了結(jié)構(gòu)中常用的楔形蓋板增大Af和tf值，從而加強框架梁梁端與柱的剛性連接方法。由于加強方式構(gòu)造上需滿足柱翼緣板厚度大于梁翼緣板厚度+楔形蓋板厚度的要求，從而導(dǎo)致設(shè)計中、重型平臺時，鋼柱翼緣板厚度普遍偏大。

而荷載相對較小的設(shè)備平臺及操作平臺，梁截面一般較小，梁柱節(jié)點通常采用簡單加寬連接構(gòu)件寬度或不需采取措施就能滿足Mu≥1.2 Mp要求。

3.2.2 在梁翼緣的拉力和壓力作用下的計算

分別驗算柱的翼緣板剛度和柱腹板受壓承載力；當(dāng)計算不滿足時，常采用柱腹板、翼緣加厚或設(shè)置水平加勁肋這兩種手段予以保證。

3.2.3 節(jié)點域抗剪的承載力

同時規(guī)范規(guī)定，當(dāng)節(jié)點域的腹板厚度tw≥（hb+hc）/70時，可不驗算節(jié)點域的穩(wěn)定性。當(dāng)節(jié)點域體積Vp不能滿足要求時，使用PKPM軟件默認抗規(guī)中8.3.5條，加厚節(jié)點域或貼焊補強板的措施。

由上可以看出：鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，如果是鋼框架建模，則節(jié)點設(shè)計需滿足抗震規(guī)范要求時，由于PKPM系列STS鋼結(jié)構(gòu)CAD計算軟件中節(jié)點加強做法設(shè)置的單一性，采用了楔形蓋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接做法，導(dǎo)致鋼柱翼緣板厚度明顯偏厚，會造成了很大的浪費。

4 減輕震害改進梁與柱剛性連接的常用方法

①用楔形蓋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接：如果梁的強度、剛度在不降低，則可在梁上下端翼緣上加焊一塊楔形蓋板，來增強梁柱連接的節(jié)點承載力，使塑性鉸遠離梁柱節(jié)點，讓節(jié)點具有較好的延性，不致于發(fā)生節(jié)點的脆性破壞，如圖1所示。

②在梁下部與柱相交位置加腋板來加強框架梁梁端與柱的剛性連接：通過增大梁與柱連接高度的方法，達到增大Mu值的作用，從而滿足Mu≥1.2 Mp的要求，如圖2所示。

③“犬骨式”的連接構(gòu)造：通過削弱梁來保護梁柱節(jié)點，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而避免脆性破壞，如圖3所示。

④用楔形板加強框架梁與設(shè)有貫通式水平加勁肋柱的剛性連接：通過增大梁與柱連接寬度，起到增大Mu值的作用。用于工字形截面柱的加強方法如圖4所示，箱形截面柱做法如圖5所示。

⑤規(guī)范中梁與柱連接的極限受彎需滿足Mu≥1.2 Mp要求，其中Mp為梁（梁貫通時為柱）的全塑性受彎承載力，如采用梁貫通式，則Mp采用柱的全塑性受彎承載力，設(shè)計可通過減小柱截面的方法降低Mp值而滿足要求，如由此帶來強柱弱梁抗震設(shè)計不滿足時，規(guī)范明確表述當(dāng)柱軸向力的設(shè)計值與柱全截面的面積和鋼材的抗拉強度設(shè)計值間的乘積比值≤0.4，或柱所在的樓層受剪承載力高出上層受剪承載力的25%，或者軸心受壓桿件在兩倍地震力的作用下能保證穩(wěn)定時，可認定設(shè)計滿足了規(guī)范要求，不按上式驗算。

5 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計須注意的事項

①框架梁與箱形截面柱、工字形截面柱的翼緣之間剛性構(gòu)造連接如圖6所示。

柱在對應(yīng)梁翼緣位置設(shè)橫向加勁肋，且加勁肋板的厚度不得小于梁的翼緣板厚度；梁與柱翼緣之間采用全融透的坡口焊縫；梁的腹板上下端均做成10～15 mm圓弧切角，下端切角高度稍大一些，允許施焊時焊條通過。圓弧端部距梁翼緣的全融透焊縫尺寸應(yīng)保證在10 mm以上。下翼緣襯板連接處，應(yīng)全長采用角焊縫焊接，焊角尺寸取6 mm；當(dāng)梁的翼緣塑性截面模量小于梁的全截面尺寸的塑性模量的70%時，梁與柱的連接螺栓不得少于二列；設(shè)計布置螺栓總數(shù)應(yīng)大于計算數(shù)值的1.5倍。

如為美觀和施工方便，節(jié)點做法中取消了梁下翼緣焊接襯板，并相應(yīng)縮小了梁腹板上下端扇形切角尺寸，因《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.4.2條規(guī)定無墊板的單面施焊對接焊縫應(yīng)乘以0.85折減系數(shù)，同時梁腹板下端扇形切角尺寸縮小，會引起梁下翼緣焊縫在施焊時實際中斷，致使梁下翼緣焊縫出現(xiàn)較大缺陷，這一系列的變通使得該部位連接質(zhì)量不能保證，當(dāng)采用此連接做法時，應(yīng)認真對待，通過計算復(fù)核后，方可作上述修改。

②梁柱相交位置，工字形柱設(shè)置的橫向加勁板與柱翼緣板須采用全融透的對接連接焊縫，腹板連接則可采用角焊縫形式。梁翼緣與箱形柱對應(yīng)部位設(shè)置的隔板，隔板與壁板采用全融透的對接焊縫形式。

③梁、柱剛接時，梁翼緣上下500 mm范圍內(nèi)，柱的翼緣與腹板間或者箱形柱各板間的連接，應(yīng)為全融透的坡口焊縫。

④承重結(jié)構(gòu)使用的鋼材，應(yīng)具有鋼材硫、磷含量及抗拉強度、屈服強度和伸長率的合格保證，焊接結(jié)構(gòu)還需有碳含量保證，通常主要焊接的結(jié)構(gòu)中不使用Q235-A級鋼。

⑤鋼材的選用：Q345比Q235鋼材屈服強度高約45%左右，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力是由強度計算控制，有條件時可采用較高強度鋼材有利于節(jié)約。

⑥對處于外露環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)，宜采用耐候鋼；在處于腐蝕介質(zhì)作用下，則需采用與防腐等級相匹配的除銹級別，在表面檢查合格后，在規(guī)定的時間內(nèi)對鋼結(jié)構(gòu)進行涂裝。同時結(jié)構(gòu)選材上需盡量選用表面積較小的管形封閉截面，對受高溫作用的結(jié)構(gòu)應(yīng)采取隔熱防護。

6 結(jié) 語

設(shè)計是一門集安全合理與經(jīng)濟適用于一身的職業(yè)，要求我們每一個工作人員應(yīng)具有高度的責(zé)任心和較強的專業(yè)理論知識。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)必將廣泛應(yīng)用于我國的建筑行業(yè)中，相信在不久的將來，通過我們的不斷努力，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論將更加完善、制作安裝工藝更加工廠化、成品化，我國的鋼結(jié)構(gòu)水平將到達一個新的高度。

參考文獻：

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[2] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].