多層輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)探討

吳陳

【摘要】多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房具有自重輕、抗震性能良好以及施工速度快等特點(diǎn)，因此在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文筆者通過結(jié)合某鋼結(jié)構(gòu)廠房實(shí)例，探討多層輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置等，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較，希望能對類似工程起到借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】多層輕鋼結(jié)構(gòu)；工業(yè)廠房；設(shè)計(jì)

1、多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)方案分析

多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的層高和柱網(wǎng)尺寸往往較大，一般情況下層高可以達(dá)到4～8m，柱距則在6～12m之間。通過對比傳統(tǒng)鋼筋混凝土廠房表明，輕鋼廠房具有施工快速等優(yōu)勢，這些都能夠有利于工期的縮短。

2、工程實(shí)例

本工程為某一多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)工程，主體部分為4層，柱距縱向?yàn)?m，橫向分別為6.9m、7.5m以及13.5m。主承重結(jié)構(gòu)體系采用三跨工形截面鋼框架結(jié)構(gòu)體系。屋面采用薄壁型鋼C型檁條和雙層保溫層面板。樓面采用壓型鋼板組合樓蓋，墻面采用外掛夾芯板的形式，內(nèi)墻均為輕鋼龍骨石膏板輕質(zhì)隔墻。以下將基于結(jié)構(gòu)布置方案優(yōu)化等策略對本工程鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)展開探討。

3、多層輕鋼廠房的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

（1）結(jié)構(gòu)體系。一般情況下，多層輕鋼廠房主要采用的構(gòu)件截面類型為工字形梁、箱形柱等，但這種截面類型構(gòu)件通過鋼板焊接，側(cè)向剛度較弱，需要設(shè)置側(cè)向支撐。往往采用的是工形或者箱形柱和工形梁所組成的空間框架體系。在這種體系中主要采用的構(gòu)件是由鋼板焊接而成的。這些體系具有側(cè)向剛度小的特點(diǎn)，因此需要設(shè)置側(cè)向支撐以確保側(cè)向的穩(wěn)定性，或可采取框架-鋼混剪力墻體系，從而有效的確保結(jié)構(gòu)的水平位移滿足相關(guān)要求。

（2）柱網(wǎng)布置。在多層輕鋼廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先需要考慮的一個(gè)問題是如何配合工藝進(jìn)行柱網(wǎng)的平面布置。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，往往將柱距模數(shù)定為3m、6m、9m或者12m。但是對于多層輕鋼工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)而言，在滿足工藝流程及設(shè)備布置的前提下，可按以上模數(shù)進(jìn)行初步定位，但要通過多次、反復(fù)的建模計(jì)算和調(diào)整，結(jié)合基礎(chǔ)及地基處理方案、鋼構(gòu)件加工及安裝方案等多種因素，最終優(yōu)化確定最經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)布置。

（3）支撐體系。多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房存在側(cè)向剛度較弱情況，尤其是水平荷載作用下導(dǎo)致其側(cè)向位移較大，因此需要在廠房縱向及橫向均要設(shè)置可靠的支撐體系，如柱間支撐、水平和垂直支撐、系桿等，這樣即可形成幾何不變體系。部分設(shè)計(jì)人員在布置及選型上不夠優(yōu)化，如溫度區(qū)間取值太小、可選柔性支撐的選用了較大截面的剛性支撐等等問題，造成不必要的麻煩和浪費(fèi)。

（4）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。目前在多層輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造大多采用焊接工形或者箱形的截面形式。一般設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往選用國標(biāo)圖集或軟件自行設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)形式，不但不夠經(jīng)濟(jì)合理，而且增加了大量的現(xiàn)場焊接工作量，這與當(dāng)前工業(yè)廠房建設(shè)的趨勢相悖。由于多層房屋鋼結(jié)構(gòu)的板件寬厚比較大，因此應(yīng)盡量避免在施工現(xiàn)場進(jìn)行焊縫的連接作業(yè)。

（5）圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在多層廠房中，為了減輕結(jié)構(gòu)的自重，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往采用輕質(zhì)材料。一般情況下，外墻可以采用非自承重式輕型墻體，則底層墻體則可以采用空心粘土磚砌體。內(nèi)隔墻則可以采用空心砌塊，屋面結(jié)構(gòu)則可以采用壓型彩鋼板+薄壁冷彎型鋼檁條體系，大大減輕了屋面自重；對于大跨度的廠房結(jié)構(gòu)還可以采用網(wǎng)架、膜殼結(jié)構(gòu)等屋蓋形式，更加美觀、更加經(jīng)濟(jì)合理。

（6）樓面結(jié)構(gòu)。多層輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的樓板應(yīng)滿足承載力、剛度以及整體性的要求。目前主要采用的樓面構(gòu)造有以下兩種：

壓型鋼板組合樓蓋：這種樓蓋是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，接著采用栓釘將壓型鋼板和鋼梁連接固定在一起，并在其上澆筑鋼筋混凝土板。在對這種樓蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)考慮鋼梁和樓板的組合作用，這種設(shè)計(jì)方法可以有效的降低多層廠房的總用鋼量。

預(yù)制板疊合層組合樓蓋：這種樓蓋是在鋼梁上鋪設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄板，并在其上澆筑鋼筋混凝土板。這種樓蓋中并不需要采用壓型鋼板，從而減小了工程造價(jià)。

4、多層輕鋼廠房的計(jì)算與設(shè)計(jì)要求

4.1計(jì)算方法

目前在對多層輕鋼廠房進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，存在一些簡化公式進(jìn)行手算，但是基本上大部分對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序或者鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用程序。本工程所在地基本風(fēng)壓為0.3kN/m2，設(shè)計(jì)地震烈度為7度，場地類型為Ⅳ類，屋面恒載為0.5kN/m2，活載為0.3kN/m2，樓面層恒載為3.8kN/m2，活載為7.5kN/m2，其他樓層恒載為3.8kN/m2，活載為4.5kN/m2，

本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，主要計(jì)算的內(nèi)容為框架桿件強(qiáng)度、剛度以及自振周期。考慮到本工程的結(jié)構(gòu)采用的是縱向?qū)ΨQ布置的形式，因此可以將其簡化成平面結(jié)構(gòu)模型。對于框架的附屬結(jié)構(gòu)則可以將其簡化為荷載進(jìn)行處理。

4.2設(shè)計(jì)基本要求

在對多層輕鋼廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，框架梁柱應(yīng)確保滿足承載力的要求，剛架柱構(gòu)件應(yīng)確保滿足穩(wěn)定性的要求，鋼框架應(yīng)確保滿足整體穩(wěn)定性的要求。此外，還應(yīng)對主剛架的整體橫向剛度進(jìn)行檢驗(yàn)。如頂點(diǎn)水平位移與總高度之比不宜大于1/500（風(fēng)荷載作用下）等要求。

4.3結(jié)果分析

（1）結(jié)構(gòu)振型和自振周期。本工程的多層輕鋼廠房結(jié)構(gòu)在水平方向上的主要振型并沒有出現(xiàn)明顯突變的問題，這表明本工程的結(jié)構(gòu)體系沿著高度的方向上質(zhì)量和剛度分別均較為合理。計(jì)算出本工程結(jié)構(gòu)體系X方向的6個(gè)基本自振周期。振型1周期1.339s，振型2周期0.418s，振型3周期0.233s，振型4周期0.183s，振型5周期0.093s，振型6周期0.072s。

（2）主要構(gòu)件尺寸。在本工程中，結(jié)構(gòu)的框架梁柱采用的是焊接工字形截面形式。框架柱則采用雙角鋼和雙槽鋼支撐體系。根據(jù)構(gòu)件尺寸的計(jì)算結(jié)果，并對梁柱截面規(guī)格尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和歸并，如表1所示。同時(shí)計(jì)算結(jié)果表明，梁柱的設(shè)計(jì)應(yīng)力均控制在規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)限制的90%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)在水平荷載以及地震作用下所產(chǎn)生的側(cè)向位移均滿足相應(yīng)要求。

結(jié)語：

多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房鑒于其具有施工便捷等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，結(jié)合工程特點(diǎn)對其采取合理的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化對于控制工程成本等具有重要意義。文章通過結(jié)合筆者工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以某輕鋼廠房設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)地探討了鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化方式，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算分析結(jié)果表明，本工程所采用的結(jié)構(gòu)布置是合理有效的，可為同類工程提供參考實(shí)例。

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