鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

卜娜蕊 劉睿

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)廠房具備施工簡(jiǎn)單、安裝快捷等優(yōu)勢(shì)，能夠批量生產(chǎn)，整體施工周期更短，可減少30%左右的建筑物結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在地基承載力較低等區(qū)域具備遠(yuǎn)超鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，鋼材本身在強(qiáng)度與性能方面有一定優(yōu)勢(shì)，再循環(huán)價(jià)值可觀，無(wú)需制模施工，因此鋼結(jié)構(gòu)體系屬于綠色環(huán)保的建筑體系。于孔瑜（2016）在研究中指出現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房因其施工速度快、自重輕、抗震性能好、環(huán)保等特點(diǎn)在建筑工程中已被廣泛認(rèn)可，在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中逐漸代替了笨重的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而得到了普遍應(yīng)用[1]。張伏右（2020）以某單層多跨重型鋼結(jié)構(gòu)廠房為工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)排架柱和吊車梁設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。排架柱的設(shè)計(jì)可采用牛腿面下方綴條格構(gòu)式的方式滿足設(shè)計(jì)要求。吊車梁的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足高度較大、翼緣稍寬的原則[2]。本文在既有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從鋼結(jié)構(gòu)廠房排架這一角度入手，介紹排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)

單層廠房中排架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，橫向平面排架的組成包含屋架、柱子等，在結(jié)合屋面板、吊車梁等縱向構(gòu)件后與平面排架連結(jié)，便可構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)。排架體系多用于工業(yè)廠房、影劇院觀眾廳或飛機(jī)庫(kù)等高大空曠的單層建筑中，以屋架或大型桁架連接柱頂，并用裝配式屋面板加以覆蓋[3]。以具體需要為根據(jù)，也有個(gè)別設(shè)計(jì)了大型天窗的排架建筑屋頂，或沿縱向進(jìn)行吊車梁設(shè)置的建筑。排架體系具備較高的重心，房屋剛度不大，由于需承受動(dòng)荷載的緣故，需進(jìn)行柱間斜支撐、屋蓋水平支撐的安裝。

2 工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件設(shè)計(jì)期間需要驗(yàn)算構(gòu)件的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性及承載力。首先，驗(yàn)算各構(gòu)件組合系數(shù)、地震作用效應(yīng)及重力荷載代表值效應(yīng)等，獲取構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值后，根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，以鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)為對(duì)象，驗(yàn)算各節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件的抗震承載力[4]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)構(gòu)件抗震時(shí)，需對(duì)地震作用下可能有局部失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)的框架梁與柱的翼緣、腹板等部位或剛度強(qiáng)度可能退化的情況予以高度重視，避免受地震的影響而出現(xiàn)損壞?；诖?，在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件時(shí)，梁、柱板件需以規(guī)定限制為依據(jù)設(shè)計(jì)寬厚比。

2.2 屋面設(shè)計(jì)要點(diǎn)

屋架結(jié)構(gòu)體系存在有檁和無(wú)檁的設(shè)計(jì)方案。前者具備構(gòu)件用料省、重量輕、安裝運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，但其構(gòu)造復(fù)雜性較高、屋蓋構(gòu)件數(shù)量偏多，且屋蓋橫向不具備良好的整體剛度。屋架形式設(shè)計(jì)中，有必要綜合考慮屋面坡度、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、天窗形式、施工及柱子連接方式等。在確定檁條形式時(shí)，應(yīng)以實(shí)腹構(gòu)件為主，較大檁距與跨度的情況下，建議采取格構(gòu)式或空腹式構(gòu)件。設(shè)計(jì)檁條時(shí)，通常以單跨簡(jiǎn)支構(gòu)件為主，實(shí)腹式檁條對(duì)應(yīng)的構(gòu)件多采取連續(xù)型。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

采取增加螺栓或焊縫的方式，能為構(gòu)造連接強(qiáng)度提供可靠保障。加厚梁柱節(jié)點(diǎn)與腹板厚度，或進(jìn)行斜向、水平加勁肋的增設(shè)。節(jié)點(diǎn)處采取節(jié)點(diǎn)板結(jié)合雙角鋼截面桿件的方式連接，于節(jié)點(diǎn)中心匯聚各桿軸線。角鋼需保持垂直于其軸線的切斷面。

2.4 柱腳設(shè)計(jì)要點(diǎn)

以柱腳受力分析結(jié)果為根據(jù)，通常由鋼接柱腳和鉸接柱腳兩類組成。鋼接柱腳包含外包式、外露式與埋入式三類。外包式的應(yīng)用常見于單層廠房、低層框架或高層裙房，設(shè)計(jì)中可依據(jù)鋼接或鉸接。單層柱底是鋼接柱腳主要適用范圍之一，抗震構(gòu)造中涉及較高的要求，超過(guò)12層的高層鋼結(jié)構(gòu)中多采取埋入式柱腳。輕型工字形柱中，在埋入鋼柱腳時(shí)需以鋼柱截面高度至少兩倍的數(shù)值控制深度；大截面箱型截面柱和H型鋼柱，高度需保持鋼柱截面高度的3倍以上。外包式柱腳中，可在基礎(chǔ)梁頂面或地下室墻內(nèi)直接安置鋼柱。

2.5 支撐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

布置支撐時(shí)，需要密切結(jié)合廠房高度和跨度、廠房柱網(wǎng)布置、吊車起重量及其工作制、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、屋面材料、有無(wú)懸掛起重運(yùn)輸設(shè)備、屋架間距、地震設(shè)防烈度及有無(wú)其他振動(dòng)設(shè)備等情況。屋架縱向支撐的安置中，安置區(qū)域多選擇排架橫梁支座反力的傳遞平面，與橫向支撐相結(jié)合的基礎(chǔ)上構(gòu)成封閉型支撐框架，能賦予廠房骨架更強(qiáng)的空間剛度[5]。從垂直支撐布置屋架的原則出發(fā)，屋架不超過(guò)30m的跨度時(shí)，于跨度中部進(jìn)行一道垂直支撐的設(shè)置即可。溫度區(qū)段中，在安裝使用屋架受壓弦桿時(shí)，為了保證穩(wěn)定性或促進(jìn)受拉弦桿長(zhǎng)細(xì)比的減少，建議從廠房?jī)啥宋菁艹霭l(fā)，沿縱向設(shè)置水平系桿至橫向支撐桁架節(jié)點(diǎn)間。

2.6 廠房縱向剛度計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)廠房中，需要通過(guò)計(jì)算確定其縱向剛度，即一臺(tái)最大起重量吊車形成的不考慮動(dòng)力系數(shù)前提下的縱向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值導(dǎo)致吊車梁翼緣頂面標(biāo)高處柱的縱向位移值，需控制在H/4000以內(nèi)，其中H表示吊車梁上翼緣頂面與柱腳底面之間間隔的距離。在柱縱向位移計(jì)算的過(guò)程中，一般情況下可進(jìn)行下述設(shè)定：（1）忽略柱剛度的影響，僅對(duì)柱間支撐予以考慮，且考慮對(duì)象涵蓋其他縱向框架的剛度，同時(shí)假設(shè)柱與支撐之間引入了鉸接的連接節(jié)點(diǎn)。（2）十字交叉支撐計(jì)算中，通常情況下僅對(duì)拉桿工作予以考慮。（3）輔助析架和吊車梁等縱向水平構(gòu)件存在相對(duì)較大的截面時(shí)，其軸向變形可能構(gòu)成的影響可忽略不計(jì)。（4）溫度區(qū)段內(nèi)，各個(gè)柱間支撐負(fù)責(zé)一同對(duì)吊車縱向水平力T承擔(dān)。

2.7 柱與吊車梁連接

常選擇普通螺栓固定連接柱與吊車梁下翼緣，并采取板鉸連接的方式連接柱與吊車梁上翼緣，縱向約束效應(yīng)并不大的板鉸連接在重量工作制吊車梁中十分適用，板鉸連接能為梁端最大水平反力的傳遞提供可靠保障。鉸板孔徑相比栓徑而言有+1mm的差距，以精制螺栓要求為依據(jù)嚴(yán)格進(jìn)行加工作業(yè)，鉸板栓孔受力方向端距必須保持1.5 d以上。本文設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)廠房中，由于工程吊車具備較大的起重量，增設(shè)連接框架柱的垂直隔板于吊車梁的高度中部，引入構(gòu)造加強(qiáng)的隔板，在計(jì)算中可忽略不計(jì)。

3 鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 總體布置

總體布置中，需要確保廠房結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量分布均勻，為廠房提供均勻受力、協(xié)調(diào)變形的保證，最大限度規(guī)避由于不均勻的結(jié)構(gòu)剛度影響抗震的情況。廠房橫向結(jié)構(gòu)中，建議采取能夠在一定程度上固結(jié)屋架和柱的框架或鋼架，確保鋼結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮自身受力性能，使橫向結(jié)構(gòu)變形的情況得到有效規(guī)避[6]。鋼結(jié)構(gòu)廠房受損的引發(fā)原由通常為桿件失穩(wěn)，而非桿件強(qiáng)度不足，故需要落實(shí)支撐系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，獲取穩(wěn)定性更高的廠房結(jié)構(gòu)。地震時(shí)難免會(huì)引起低周疲勞作用，在具體設(shè)計(jì)中要密切考慮廠房受其影響的程度。構(gòu)件連接點(diǎn)設(shè)計(jì)中，要盡量滯緩節(jié)點(diǎn)受損時(shí)間，且要確保晚于結(jié)構(gòu)構(gòu)件全截面屈服，并為結(jié)構(gòu)構(gòu)件支持塑性工作提供保障。

3.2 廠房結(jié)構(gòu)抗震變形控制

地震較強(qiáng)烈時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)難免會(huì)有受損的情況出現(xiàn)，其引發(fā)緣由通常是側(cè)向剛度不足，而非強(qiáng)度問(wèn)題?；诖?，在保證抗震性能的基礎(chǔ)上展開抗震設(shè)計(jì)時(shí)，理應(yīng)引入適當(dāng)?shù)拇胧?duì)結(jié)構(gòu)層間位移展開控制[7]。例如，在鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要做好主廠房高寬比的有效控制，促進(jìn)主廠房側(cè)向剛度的增強(qiáng)。同時(shí)，結(jié)合增加支撐數(shù)量或加大支撐斷面的方式，促進(jìn)支撐側(cè)向剛度的增強(qiáng)。盡量加厚采用的重型柱的腹板，或加固節(jié)點(diǎn)至局部，在一定程度上規(guī)避節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形的情況。梁剛度的增加同樣可實(shí)現(xiàn)梁變形的有效控制，且要規(guī)避塑性鉸向柱上轉(zhuǎn)移的情況。

3.3 抗震構(gòu)造措施

一是廠房框架梁、柱板件寬厚比。廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需參考單層廠房要求；總高度比規(guī)定值更大的多層框架中，超出的部分設(shè)計(jì)需參照高層鋼結(jié)構(gòu)房屋規(guī)定，例如以“高鋼規(guī)”相關(guān)條例為依據(jù)，24m是高層與多層間的分界線。設(shè)計(jì)多層框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)參照多層鋼結(jié)構(gòu)規(guī)定。二是框架梁、柱翼緣?？蚣芰号c柱應(yīng)力最大區(qū)域的翼緣截面禁止隨意更改，妥善設(shè)置側(cè)向支承，并參照現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》合理控制各支承點(diǎn)的間距。三是拼接框架梁。以高強(qiáng)度螺栓摩擦型拼接框架梁時(shí)，通常在內(nèi)力偏小的部位設(shè)置拼接位置，以便與最大應(yīng)力區(qū)避開[8]。為實(shí)現(xiàn)更便捷的施工安裝，一般情況下在與梁端間隔1m的位置設(shè)置拼接位置，并與主次梁拼接處避開。梁翼緣拼接中，高強(qiáng)度螺栓在平行其內(nèi)力的方向上最低需3排。四是柱間支撐構(gòu)件。在支撐鋼結(jié)構(gòu)廠房多層框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選抗震性能顯著的形式或十字形交叉的柱間。支撐桿件板件中，需結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》合理設(shè)計(jì)寬厚比。五是主廠房柱腳。鋼結(jié)構(gòu)主廠房中，需保證柱腳能實(shí)現(xiàn)柱內(nèi)力的有效傳遞，并引入外包式、埋入或插入式的柱腳，并參照現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4 鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 工程概況

某市一小區(qū)內(nèi)的工程，為二層結(jié)構(gòu)，底層層高15m，二層為8.1m的層高，15T橋式吊車位于11m標(biāo)高處，設(shè)置單梁吊車（5T）在垂直樓面的6.0m部位處，屋面設(shè)計(jì)選擇輕鋼。兩跨，單跨跨度21m，開間7m共計(jì)17個(gè)。廠房長(zhǎng)、寬分別為42m和110m。該廠房屋面從第二個(gè)開間起，至倒數(shù)第二個(gè)開間結(jié)束，皆僅需天窗架采光的設(shè)計(jì)[9]。以現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》為參照，結(jié)合該地區(qū)7°的抗震設(shè)防烈度，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.10g即可。房屋為丙類的抗震設(shè)防。參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定該廠房抗震等級(jí)為四。在確保工藝要求得到充分滿足，并突出安全性與可靠性的基礎(chǔ)上，合理進(jìn)行力學(xué)參數(shù)控制指標(biāo)的制定，詳情如表1所示。

表1 力學(xué)參數(shù)控制指標(biāo)

4.2 結(jié)構(gòu)選型

該工程二樓樓面涉及相對(duì)較大的荷載，因此選擇組合樓板，并引入輕鋼屋面和框架結(jié)構(gòu)的底層設(shè)計(jì)，選擇排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二樓。綜合各方面因素，廠房結(jié)構(gòu)最終確定為上下部分別為排架與框架的形式。兩個(gè)方向跨度有著較大差別，故剛度差別較為顯著，所以選擇框架+支撐結(jié)構(gòu)的框架[10]?，F(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出抗震等級(jí)四級(jí)且在50m高度以內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)建議選擇中心支撐，中心支撐以交叉的框架形式為主，支撐軸線需要交匯兩主構(gòu)件軸線交點(diǎn)。房屋共計(jì)119m的長(zhǎng)度，由于小于120m但大于60m，因此選擇兩道支撐進(jìn)行底層框架的設(shè)置。保證支撐布置的均勻性，并在第5、第13個(gè)開間處進(jìn)行布置，支撐選擇H型鋼。二層排架結(jié)構(gòu)設(shè)置中，以現(xiàn)行《抗震規(guī)范》為根據(jù)，應(yīng)在同一柱間上下貫通的前提下進(jìn)行支撐的布置，故同樣在第5、第13個(gè)開間處沿底層布置部位進(jìn)行二層排架支撐的設(shè)置，選擇L型角鋼的支撐。因設(shè)置了天窗架的緣故，為實(shí)現(xiàn)天窗架荷載的有效傳遞，于開間第1和第17的部位進(jìn)行屋面豎向、水平支撐的設(shè)置。如圖1所示。

圖1 層間梁頂標(biāo)高平面內(nèi)水平支撐結(jié)構(gòu)

4.3 柱截面選型

結(jié)構(gòu)涉及較大的跨度，即21m，底層為15m的層高，開間為7m，存在相對(duì)較大的荷載比，如果選擇“工”字形鋼焊接，長(zhǎng)細(xì)比要求難以得到滿足，基于此，建議選擇“十”字鋼柱的焊接。二層為8.1m的層高，為輕鋼屋面，荷載比偏小，且存在方向一致的受力，因此選擇“工”字鋼焊接。

4.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

框架部分引入STAWE展開計(jì)算，連接STS接口，同時(shí)圍繞全樓展開連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。工字形梁連接十字形柱時(shí)選擇鋼柱與懸臂梁端剛性連接的連接類型。梁柱與懸臂段連接中，引入全焊接方式，現(xiàn)場(chǎng)梁拼接時(shí)以翼緣焊接腹板螺栓方式進(jìn)行[11]。為減少材料耗費(fèi)，與跨度較大的框架梁相比，柱截面翼緣厚度需盡量減小，由此可能引起不樂(lè)觀的懸臂梁與鋼柱連接計(jì)算結(jié)果。

如以梁柱連接為對(duì)象，參照抗震規(guī)范計(jì)算其極限承載力：Mu=487.664＞1.3Mp=473.311滿足。增大蓋板需求的厚度Tgb=6，梁翼緣厚與蓋板厚總計(jì)比柱翼緣厚更大，與設(shè)計(jì)要求相符合。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹鋼結(jié)構(gòu)廠房排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)整體出發(fā)，依次明確構(gòu)件、屋面、節(jié)點(diǎn)、柱腳及支撐的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算廠房縱向剛度，闡明柱與吊車梁的連接，設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，從總體布置入手闡明結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)要點(diǎn)并明確結(jié)構(gòu)抗震變形控制與抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)，最后引入實(shí)例展開了設(shè)計(jì)分析。經(jīng)驗(yàn)證后確定，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)整體與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條例要求相符合。