多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題

緱濤

（山東省陽光工程設(shè)計(jì)院有限公司 山東 濟(jì)南 250101）

多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有外形美觀、構(gòu)件小、荷載小、抗震能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它的成本普遍較低。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的生產(chǎn)速度非?？?，它對(duì)環(huán)境的破壞小，產(chǎn)生的污染少，并且具有較高的材料回收率，從而滿足節(jié)約資源的最終目標(biāo)，努力構(gòu)建綠色和諧社會(huì)，促進(jìn)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 多層鋼結(jié)構(gòu)廠房特點(diǎn)

1.1 多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房特點(diǎn)

多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房一般采用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這種材料自重輕，但保溫效果強(qiáng)，在安裝過程中消耗的時(shí)間少，這些優(yōu)勢(shì)有效地提高了該材料在材料行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，最終用于多層輕鋼廠房。此外，輕鋼結(jié)構(gòu)廠房層高較高，一般大于4m，多為集中荷載，許多荷載是懸浮荷載，有時(shí)通過振動(dòng)產(chǎn)生力。多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房還具有施工時(shí)間短的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)與施工不斷演變?yōu)橐惑w化，現(xiàn)場(chǎng)幾乎沒有焊接工作，大大縮短了施工時(shí)間，有效保證了項(xiàng)目的完工效率。多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房不僅能滿足當(dāng)今社會(huì)的綠色需求，盡可能多地使用再生材料來支持節(jié)能減排，而且還具有較強(qiáng)的保溫性能，因此，建設(shè)和改進(jìn)多層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房，可以有效地促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步。

1.2 多層工業(yè)廠房常見結(jié)構(gòu)

目前，在我國(guó)的工業(yè)廠房建設(shè)中，最常見的結(jié)構(gòu)形式主要是框架體系、純框架體系和鋼框架—支撐混合體系。（1）框架體系是一種水平設(shè)計(jì)的廠房結(jié)構(gòu)，它主要是根據(jù)柱的形狀和支承在每個(gè)柱中間的荷載力，從而支撐整個(gè)多層廠房?？梢钥闯?，框架體系的廠房結(jié)構(gòu)很經(jīng)濟(jì)，但柱間占用的空間較大，造成廠房部分空間使用范圍的浪費(fèi)，導(dǎo)致部分區(qū)域的廢棄。（2）純框架系統(tǒng)是一種水平和垂直使用的植物結(jié)構(gòu)，它是相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言的，兩者最大的區(qū)別是純框架系統(tǒng)不需要柱支撐。該廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是合理利用廠房的所有空間；缺點(diǎn)是過度使用鋼筋，導(dǎo)致立柱的方向相差不大。（3）鋼框架—支撐混合體系是相對(duì)于純框架體系而言的，它主要依靠鋼架與支架之間的對(duì)抗力來達(dá)到水平效果，容易發(fā)生一定的事故。

2 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了保證多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和空間充分利用性，在過去，大多數(shù)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往采用框架結(jié)構(gòu)，然而，這種施工方法雖然節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但在一定程度上浪費(fèi)了廠房的空間。為此，要求多層工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)人員遵循一定的設(shè)計(jì)原則，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔性原則、柱網(wǎng)對(duì)稱均勻原則、清晰傳力原則列為自己的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。只有設(shè)計(jì)者和施工人員根據(jù)這些原則進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，才能減少工業(yè)廠房的空間變形，避免應(yīng)用集中、凹角、收縮等問題。

（1）多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理控制水平和垂直框架的使用周期。由于多層工業(yè)廠房具有大跨度、大尺寸的特點(diǎn)，要求廠房結(jié)構(gòu)盡可能少使用立柱，以提高工程的安全性，最大限度地利用空間。然而，橫向框架需要使用更多的柱和更小的尺寸，因此，施工人員和設(shè)計(jì)人員有必要合理調(diào)整水平框架和豎向框架，制訂最佳的設(shè)計(jì)方案。例如：一般在設(shè)備規(guī)模較小的前提下，采用水平控制的結(jié)構(gòu)施工方法，以促進(jìn)豎向和水平方向抗震能力的一致性，這種設(shè)計(jì)方法不僅可以預(yù)防地震災(zāi)害，還可以節(jié)省企業(yè)或單位的成本；反之，在設(shè)備更大、空間更寬的前提下，設(shè)計(jì)師應(yīng)利用縱向框架結(jié)構(gòu)，最大限度地利用廠房用地，從而經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)不同行業(yè)或車間的選址［1］。

（2）多層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在安裝電梯時(shí)也應(yīng)選擇科學(xué)合理的位置。由于多層工業(yè)廠房所涉及的工業(yè)設(shè)備和貨物往往較重，設(shè)計(jì)人員需要為生產(chǎn)活動(dòng)建立垂直運(yùn)輸電梯，從而最大限度地節(jié)省人力。而且電梯房的生產(chǎn)工具和材料大多為鋼筋混凝土，這些材料剛度大，這就要求設(shè)計(jì)師要意識(shí)到烘箱材料對(duì)建筑可能存在的偏心，從而最大限度地對(duì)建筑的角落和末端進(jìn)行干預(yù)，以便于工作人員的正常使用。

（3）對(duì)于地質(zhì)、洪水等自然災(zāi)害多發(fā)地區(qū)的多層工業(yè)廠房，還應(yīng)合理控制抗震縫。因?yàn)樵谶^去房屋使用壽命較長(zhǎng)時(shí)，如果一個(gè)建筑在設(shè)計(jì)或施工階段設(shè)計(jì)過多的伸縮縫或抗震縫，就會(huì)影響建筑的最終使用效率，而且容易出現(xiàn)滲水的情況。對(duì)此，施工人員應(yīng)注意伸縮縫和防震縫的數(shù)量，間隔40m左右設(shè)置后澆帶，從而減輕對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力點(diǎn)的壓力，從頂層或底層提高整個(gè)工業(yè)廠房的防震效果。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系

3.1 建立多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)理念

當(dāng)設(shè)計(jì)部門決定采用多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房時(shí)，需要提前有一套完整的設(shè)計(jì)理念，而設(shè)計(jì)理念的提出取決于對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的掌握和工業(yè)廠房的具體需求。除了這兩點(diǎn)外，設(shè)計(jì)師的個(gè)人相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也具有很大的指導(dǎo)意義，在具體的設(shè)計(jì)工作中，如果設(shè)計(jì)內(nèi)容或施工內(nèi)容不符合實(shí)際要求，設(shè)計(jì)師根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)可以做出準(zhǔn)確的判斷和處理，從而減少對(duì)施工的不利影響［2］。

3.2 綜合分析多層鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)

多層鋼結(jié)構(gòu)建筑在工業(yè)廠房中廣泛應(yīng)用的主要原因是輕鋼材料具有與普通鋼相同的強(qiáng)度和耐久性，維修材料一般為夾芯金屬板。從這些方面可以看出，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有以下特點(diǎn)［3］。

（1）采用集中式懸架，承載能力強(qiáng)。建設(shè)工業(yè)廠房，特別是大型工業(yè)廠房的主要作用是放置一些大型的工業(yè)機(jī)械設(shè)備，而這些設(shè)備需要經(jīng)常使用，在使用過程中，往往會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和負(fù)荷，這將對(duì)廠房建設(shè)產(chǎn)生一定的影響。機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生集中荷載和懸掛荷載，這些荷載是對(duì)廠房穩(wěn)健性的重大考驗(yàn)。多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)特點(diǎn)能滿足所有的荷載要求，具有較強(qiáng)的承載能力。

（2）施工周期短。工業(yè)廠房有許多建筑要求，具體內(nèi)容是更高層次、更多標(biāo)準(zhǔn)建筑、適合工業(yè)化的裝配線建設(shè)。對(duì)于具體的工廠建設(shè)來說，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，以上要求大大增加了施工難度，消耗了大量時(shí)間，延長(zhǎng)了工期。多層鋼結(jié)構(gòu)建筑可以很好地避免這一問題，因?yàn)槎鄬愉摻Y(jié)構(gòu)的施工要求相對(duì)較低、輕鋼重量小、操作安裝非常簡(jiǎn)單，大大提高了施工效率，縮短了施工周期。

（3）防震性能。在工業(yè)廠房建設(shè)初期，應(yīng)優(yōu)先考慮廠房的防震，因?yàn)榈卣饐栴}是造成房屋損壞的重要因素。在工業(yè)廠房的建設(shè)中，抗震能力也是廠房非常重要的安全保障，特別是在地震多發(fā)地區(qū)，抗震性能應(yīng)放在建設(shè)需求的首位。在建設(shè)項(xiàng)目中，首先可以調(diào)查廠房所在地區(qū)近年來的地震發(fā)生情況，根據(jù)區(qū)域地震情況，選取廠房的抗震系數(shù)。必要時(shí)，尋求專業(yè)人員的幫助，進(jìn)行廠房的防震設(shè)計(jì)，使工業(yè)廠房能夠適應(yīng)不同地區(qū)的條件，提高廠房的使用壽命和安全性，為廠房的安全生產(chǎn)提供保障。

4 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為了使設(shè)計(jì)的多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房滿足各種高質(zhì)量的要求，其設(shè)計(jì)方案的制訂不容忽視。因此，設(shè)計(jì)師必須去許多施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察核電站，再設(shè)計(jì)圖紙，然后精確測(cè)量和計(jì)算所有數(shù)據(jù)，以便最終確保設(shè)計(jì)方案最符合當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件，充分利用其所有功能。

4.1 負(fù)荷計(jì)算

一個(gè)工程能否安全進(jìn)行，提前計(jì)算好工程各部分的負(fù)荷是非常重要的。在工程進(jìn)行過程中，設(shè)計(jì)者必須提前到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，并提前進(jìn)行精確的荷載計(jì)算。具體的計(jì)算需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的荷載規(guī)范進(jìn)行，框架的主荷載可以直接由PMCAD 生成，從而在一定程度上保證建筑工程的施工安全和質(zhì)量。由于該工程主體框架面積較大，屋面梁計(jì)算時(shí)可按0.3kN/m計(jì)算荷載［4］。

4.2 主框架設(shè)計(jì)

在主框架設(shè)計(jì)過程中，由于荷載較大，為了盡量減少用鋼，需要結(jié)合反彎點(diǎn)的具體位置，將梁改為變截面梁，同時(shí)，也要使其符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，以保證企業(yè)能夠獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，如果框架主梁兩端剪力滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，縱柱無需重新設(shè)計(jì)，即可滿足平衡要求。在縱彎梁的計(jì)算設(shè)計(jì)過程中，縱彎梁和二層次梁的數(shù)據(jù)應(yīng)按兩端鉸接梁的值進(jìn)行計(jì)算，并按塑性進(jìn)行設(shè)計(jì)。合理的斷面設(shè)計(jì)不僅能有效地提高建筑工程的安全性能，而且能保證有限的資源不被浪費(fèi)。計(jì)算出最合適的截面可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，幫助施工企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力。

4.3 設(shè)置合理的失效機(jī)制

（1）遵循強(qiáng)柱弱梁的原則。要全面避免柱、梁的破壞，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，決定其牢固與否最關(guān)鍵的因素就是柱的牢固程度。（2）強(qiáng)截面和弱桿。要嚴(yán)格避免節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的損壞和構(gòu)件的損壞，對(duì)于節(jié)點(diǎn)來說，它與成員本身密切相關(guān)，因此，必須保證節(jié)點(diǎn)的完整性。（3）強(qiáng)剪切弱彎曲。對(duì)于實(shí)際的剪切破壞，在實(shí)際過程中是比較突然的，因此，提前預(yù)測(cè)和判斷失敗是不可能的。而對(duì)于彎曲破壞，它有一個(gè)變化的過程，并呈現(xiàn)曲線，可以提前預(yù)測(cè)危險(xiǎn)，從而避免后續(xù)破壞的進(jìn)一步蔓延［5］。

5 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

5.1 全面控制四大原則，突出抗震性能

四項(xiàng)原則是指在設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性，同時(shí)兼顧可靠性和實(shí)用性。然而，一些企業(yè)在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)效益的考慮，往往忽視了質(zhì)量，給安全埋下了很大隱患。安全是多層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的考慮因素。對(duì)電站安全性能影響最大的環(huán)境因素是地震，一旦發(fā)生地震，如果核電站的設(shè)計(jì)不科學(xué)，它可能會(huì)被破壞或倒塌，導(dǎo)致重大事故。特別是在地殼活動(dòng)頻繁的地區(qū)，要對(duì)電站的抗震系數(shù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，綜合考慮歷史資料和專家意見，推斷局部可能發(fā)生的最大地震，以最高地震為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？傊?，應(yīng)嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)和質(zhì)量，在這四項(xiàng)原則之間找到最佳的平衡。

5.2 抓住受力關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，重視支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房安全性在首位，必須詳細(xì)分析其受力情況，綜合考察柱間、梁間、柱梁間節(jié)點(diǎn)穩(wěn)固性，用合理的設(shè)計(jì)達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)。為了使節(jié)點(diǎn)更牢固，也要優(yōu)選焊接技術(shù)，如栓焊連接，根據(jù)鋼質(zhì)調(diào)整焊接尺寸。抓住受力關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在選擇中心支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮交叉支撐和“人”形支撐，避免“K”形支撐。如果局部地震烈度較大，設(shè)計(jì)者應(yīng)進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，如采用延性較好的偏心結(jié)構(gòu)、通過合理布置簡(jiǎn)化構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度等。如果設(shè)備荷載較大，為防止結(jié)構(gòu)位移，應(yīng)提高柱的橫截面積，水平荷載壓力應(yīng)由柱等主要受力構(gòu)件分擔(dān)。只有科學(xué)設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)，才能從源頭上消除安全隱患［6］。

5.3 合理結(jié)構(gòu)計(jì)算，優(yōu)化技術(shù)處理，提高綜合效益

成本投資是工廠設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮因素，企業(yè)應(yīng)該追求最佳的成本效益，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并為成本預(yù)算提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算的各個(gè)方面都要綜合考慮，包括梁、柱的長(zhǎng)度計(jì)算、各部分荷載計(jì)算等關(guān)鍵和重要數(shù)據(jù)，以及細(xì)節(jié)上的注意事項(xiàng)，如梁端彎矩寬度的調(diào)整范圍，一些不確定因素不能忽略，如可能的裂縫寬度計(jì)算。計(jì)算完成后，需要對(duì)軟件進(jìn)行復(fù)核，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免在后期施工中由于數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤遺漏而造成頻繁的問題和混亂。設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極與施工人員溝通，達(dá)成共識(shí)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)節(jié)統(tǒng)一概念，避免施工矛盾，降低協(xié)調(diào)成本。在做好結(jié)構(gòu)計(jì)算的同時(shí)，要對(duì)造型設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使綜合效益最大化。多層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系有很多內(nèi)容，一旦構(gòu)件控制不合理，設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，將大大增加后期施工的麻煩。設(shè)計(jì)人員應(yīng)分層量化鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目和建筑材料的投入量，合理投入鋼材用量。設(shè)計(jì)師需要有相當(dāng)?shù)睦碚撍胶蛯I(yè)能力，在保證鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和可靠性的前提下，在參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算的整個(gè)過程中都應(yīng)貫徹簡(jiǎn)化技術(shù)處理的原則，以最小的投入帶來最大的產(chǎn)出。

6 結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)廠房在安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面都取得了很大的進(jìn)步，越來越多的工業(yè)企業(yè)在建造廠房時(shí)選擇多層鋼結(jié)構(gòu)。但是，多層鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也需要注意如支撐體系、變形縫、樓板結(jié)構(gòu)及水平、垂直設(shè)計(jì)等，并遵循安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則，從而有效地建設(shè)滿足工業(yè)企業(yè)實(shí)際需要的優(yōu)質(zhì)廠房。