多層工業(yè)廠房的結構設計

吳柱雄

【摘 要】隨著我國經濟的不斷發(fā)展，工業(yè)廠房建筑大規(guī)模出現(xiàn)，單層工業(yè)廠房漸漸被有著諸多的優(yōu)點的多層工業(yè)廠房取代，多層工業(yè)廠房成為了廠房設計的首選。因此，要做好多層工業(yè)廠房結構設計，以達到安全和經濟的平衡點。本文對多層工業(yè)廠房的結構設計進行了分析探討。

【關鍵詞】結構體系；多層工業(yè)廠房；結構設計要點

一、多層工業(yè)廠房三個主要的結構體系

現(xiàn)在常用的支撐體系、純框架體系、鋼架加支撐的混合體是多層工業(yè)廠房結構的三種主要體系。

1、支撐體系也是框架體系，剛接框架是其橫向設計結構，柱間支撐為這個框架體系的縱向結構設計，抵抗著水平負荷的載重?？v向較長、橫向較短的廠房適用這種體系，因為它相對來說是比較的經濟，而柱間支撐影響著我們廠房的使用情況則是它的缺點。

2、是純框架的體系，相比我們的框架體系，純框架體系設置的最特別之處是它中間是沒有柱間支撐的，鋼接框架在縱向和橫向都被采用。把廠房縱橫兩個方向都設計成剛接框架，不設置柱間支撐。其優(yōu)點是使用空間不受影響，缺點是柱不宜采用工字型柱，而要采用兩個方向慣性矩差別不大的截面形式（如箱形柱），這樣就導致用鋼量有所增加。

3、鋼架加支撐的混合體系，在橫向設計結構上，它的框架體系與剛接框架是一樣，而在縱向設計結構上，它則是由鋼架和支撐混合構成的的形式 它的抵抗水平力是由鋼架和支撐兩者共同形成的?？v向彎矩被縮短能夠突出它的優(yōu)點，要求過大的樓面剛度是它的缺點，變形樓面、柱間的不協(xié)調都是由于剛度不足導致的，剛度不足就很難有效的發(fā)揮支撐效果。

二、多層工業(yè)廠房的基本特征

1、平面結構布置和柱網(wǎng)布置

多層工業(yè)廠房在平面布置中，通常為了滿足工藝要求，使結構布局不規(guī)整，柱網(wǎng)不規(guī)則，布梁不整齊，甚至有工藝要求在主受力構件上開孔的現(xiàn)象。同時廠房內部一般空間較大，柱距多為6～12m，局部有抽柱設計的，柱距會增大到18m 以上。這使得結構傳力復雜，受力不明確，設計中容易產生應力集中現(xiàn)象。

2、豎向結構布置和層高

多層工業(yè)廠房的層高較大，能達到4～8m，且豎向布置經常出現(xiàn)錯層、夾層，樓板開大洞，這使得樓板無法提供足夠的平面內剛度，結構有效質量沿豎向分布不均勻。在地震作用下，結構可能產生“短柱效應”，使得局部柱段水平剪力成為截面設計的控制因素。

3、各種類型的荷載

工業(yè)廠房的集中荷載主要包括設備自重，有時還需要考慮設備的震動擾力，根據(jù)規(guī)范要求進行動力計算。懸掛荷載主要包括管道荷載，吊車荷載，有時管道還產生水平荷載及彎矩。板面荷載主要根據(jù)生產工藝的要求，在不同的生產樓地面有不同的活荷載取值，但這種活荷載一般均大于民用建筑中的活荷載。

4、樓面及基礎形式

工業(yè)廠房樓面一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面，但由于工藝所提設備荷載要求，樓板或出現(xiàn)開洞，或出現(xiàn)局部厚度變化。

廠房的基礎形式多采用柱下獨立基礎，柱下條形基礎，若地基承載力低，可采用灰土擠密樁、砂樁等方法處理，亦可采用灌注樁，直接作用在堅硬的土層上面。

5、輕型圍護結構

工業(yè)廠房的圍護結構一般不作為承重體系，通常采用輕質材料，屋蓋結構多采用鋼桁架檁條體系加鋪輕質保溫層。此種輕型圍護材料有利于減輕結構自重，減少地震反應。

三、多層工業(yè)廠房結構設計要點

多層廠房結構設計中一定要遵循幾點原則：第一要使柱網(wǎng)的位置對稱均勻；第二使房屋的剛度中心和質量中心盡量相近，這樣可以減少屋子空間扭轉作用；第三是結構盡量簡捷、規(guī)則。這樣做的目的都是為了避免出現(xiàn)應力集中和變形突變的凹角和收縮，避免豎向變化過多的外挑和內收，要求沿豎向的剛度不發(fā)生突變或者少突變的情況出現(xiàn)。一般多層廠房的結構都是采用的框架結構，有的也采用框剪結構（比方說層數(shù)比較多或者工藝條件許可的情況下可以采用），多層廠房在一般情況下來說都需要較大的空間。

1、控制橫向框架與縱向框架的周期

多層廠房的特點是跨度大，所以一定要注意控制橫向框架與縱向框架的周期。因為橫向跨度大，柱子少，而縱向柱間距離比較小，柱子多，所以一般情況下采取橫向控制，使縱橫方向的抗震能力能基本上相同。

2、電梯間的位置一定要布置合理

為了更加適應貨物設備等運輸方便，多層廠房一般都要設置電梯的位置，在設計的過程中要考慮到電梯井筒對建筑物的偏心影響，因為鋼筋混凝土電梯井筒剛度很大，在設計結構位置布置中要盡量避免井筒放在建筑物的角部和端部這兩個地方，萬一遇到工藝需要布置在這樣的位置時，那對其周期的樓板和框架要采取加強的措施。

3、地震區(qū)的多層廠房宜少或不設防震

地震區(qū)房屋的伸縮縫是合一的，當房屋較長時，宜采取下列一些構造措施和施工措施以少設伸縮縫及防震縫；施工中，每隔40m設置一道，800mm——1400mm寬的后澆帶，后澆帶的位置設在結構受力影響最小的區(qū)段；在溫度影響較大的頂層、底層、山墻和內縱墻端開間的墻體等部位，適當提高配筋率；加厚屋面隔熱保溫層或設置架空層形成通風屋面。

4、支撐系統(tǒng)的設計

對于鋼結構的廠房來說，通常為了確保廠房整體剛度，控制廠房位移，以及明確地傳遞縱向水平力，同時還要考慮到廠房中設備運行對鋼結構的影響，必須結合廠房高度、跨度、溫度區(qū)段的長度等具體情況來設置支撐系統(tǒng)。鋼結構的支撐系統(tǒng)目前主要有屋蓋支撐和柱間支撐。

（1）柱間支撐系統(tǒng)

廠房設計過程中必須要在每一溫度區(qū)段內設置柱間支撐系統(tǒng)，同時也要充分考慮到屋蓋橫向水平支撐的協(xié)同工作問題。由于下柱支撐的位置是決定鋼結構縱向變形的主要因素，同時還會影響到溫度應力的大小，因而當廠房長度較長時不宜將柱間支撐設置在縱向端頭跨內，否則吊車梁等縱向機構不能夠隨著環(huán)境溫度變化向溫度區(qū)段的兩端伸縮。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，當7度廠房單元長度大于120m（采用輕型圍護材料時為150m）、8度和9度廠房單元大于90m（采用輕型圍護材料時為120m）時，應在廠房單元1/3區(qū)段內各布置一道下柱支撐。為了提升廠房結構上部的縱向剛度，以及傳遞縱向地震作用和山墻的風力，還應該在溫度區(qū)段的兩端柱間設計上柱支撐。

（2）屋蓋支撐系統(tǒng)

屋蓋支撐系統(tǒng)通常是由垂直支撐、縱向支撐、橫向支撐以及系桿組成。屋蓋支撐系統(tǒng)的設計應該結合廠房的高度、柱網(wǎng)布置、廠房跨度、屋蓋結構形式以及廠房內設備的振動情況進行綜合考慮。此外，屋面支撐系統(tǒng)的布置，還應根據(jù)柱間支撐的位置總體考慮，使屋面支撐與柱間支撐形成簡潔的傳力路徑，并形成有效的提高廠房剛度的措施。如果廠房內有大型振動設備的廠房，其屋蓋還應該設置縱向水平支撐。

結束語：做好多層工業(yè)廠房的關鍵是清晰明了結構設計的理念，加強結構設計和施工的溝通，避免施工過程中產生困難，同時，結構設計過程中要更加的反復驗算，調整梁柱界面，以達到最佳設計。

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