多层工业厂房设计探析
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摘要：钢结构由于其建筑具有施工周期短，工程造价低等特点，越来越多的被广泛应用。文章结合工程实际探讨了多层钢结构工业厂房设计的结构布置、结构内力及计算方法等方面。
关键词：工业厂房；多层钢结构；特点；结构布置；计算
建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但很长时间里运用的都是石材、木材等，随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，其中钢材是其中最普遍的一种。近年来，随着国家基本建设的快速发展，经济实力的增强，钢结构的应用越来越广泛，它不再局限用于库房，钢结构厂房等工业建筑上也广泛用于诸如大型超市等民用建筑上。
1 工业厂房的特点
(1)荷载类型多。集中荷载主要包括设备自重，有时还需要考虑其振动的影响。楼面上还有较大均布荷载。
(2)荷载大。工业厂房的设备一般都在数十吨以上，楼面活荷载达2.5～20 kN /m2。
(3)层高高，柱距布置应与工艺协调。多层工业厂房为了满足工艺要求，层高一般为4～8 m；柱距6～12 m，特殊工艺要求的柱距在18 m以上。
(4)楼面开孔大，质量刚度分布不均匀。工业厂房很多大型设备从基础开始上下贯通达十几米甚至几十米，再加上一些地方由于生产工艺的需要，往往造成楼面大面积开洞，形成结构上的错层现象，也造成厂房质量和刚度沿高度分布不均匀，在地震作用下，往往可能发生扭转的现象。
2 工业厂房的结构布置
2.1 常用的结构体系
(1)框架―支撑体系。即横向设计成刚接框架，纵向设计成柱―支撑体系，用柱间支撑抵抗水平荷载。这种体系经济节约，但柱间支撑可能会影响使用。这种形式特别适用于纵向较长，横向较短的厂房。
(2)纯框架体系。把厂房纵横两个方向都设计成刚接框架，不设置柱间支撑。其优点是使用空间不受影响，缺点是柱不宜采用工字型柱，而要采用两个方向惯性矩差别不大的截面形式(如箱形柱) ，使用钢量增加。
(3)钢架加支撑的混合体系。这种形式与第一种形式不同之处在把纵向设计成钢架和支撑混合的型式，靠两者共同抵抗水平力。这种形式可以有效地减少柱的纵向弯矩，但要求楼面刚度大，否则柱子间的变形不协调，无法充分发挥柱间支撑的作用。
2.2 柱网布置
厂房内大型设备的布置对确定柱网起着决定性的作用，一般柱距在6 m左右，但根据实际需要可以采用4.5～12 m的柱网。在重型设备的周围最好均匀地单独布置一圈柱，并使柱与设备中心重合，以减少大型设备在地震力作用下产生的巨大倾覆力矩对支承梁的不利影响。
2.3 楼盖布置
楼盖主要有压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板，装配整体式预制钢筋混凝土楼板，装配式预制钢筋混凝土楼板，普通现浇混凝土楼板或其它楼板。这几类楼板各有优缺点:压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板和普通现浇混凝土楼板平面整体刚度更好；压型钢板现浇楼板、装配整体式预制钢筋混凝土楼板和装配式预制楼板施工较快；压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板造价相对较高。综合而言，多层钢结构厂房宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板。
2.4 支撑体系
在不影响生产操作的前提下，应沿厂房四周设置水平及垂直支撑。支撑的布置遵循抗侧力中心与水平地震作用力接近重合的原则。其中最为重要的柱间支撑分为中心支撑和偏心支撑。一般的多层钢结构工业厂房宜采用中心支撑。中心支撑宜为交叉支撑、人字支撑或单斜杆支撑，不宜采用K型支撑。但中心支撑适用于地震力小构造简单的结构。当厂房为高层钢结构或在强震区时，宜采用延性和耗能能力更好的偏心支撑。
2.5 节点构造
钢结构的节点主要有以下几类:柱与柱的接头、梁与梁的连接节点、梁柱的节点、支撑构件的节点以及柱脚节点等。其中梁柱的刚性节点受力情况相对复杂，在美国和日本的地震中破坏也最为严重。近年来，针对以前典型的栓焊连结型梁柱刚接节点的不足，又出现了以下几种新的梁柱刚接形式:盖板式节点、托座式节点、狗骨式节点和切缝式节点。对于一般的多层钢结构工业厂房仍可采用典型的栓焊连结型梁柱刚接节点。但在强震区宜使用设计思想先进，能将塑性铰自梁端外移的狗骨式节点。
3 使用软件分析结构内力的特点
3.1 网格生成平面简化
由于工业厂房的网格布置复杂，在应用软件时，完全按实际情况建模会产生大量的近节点，对分析结果不利。需要利用一些简化手段，但是同时应注意与实际出入不能太大。
3.2 利用柱间支撑调整结构纵向周期
柱间支撑不能简单地被看为构造措施，必须把它作为一种受力杆件输入到模型中，支撑的刚度直接影响到厂房纵向的周期与水平位移。如果有柱间支撑仍按纯框架模型计算，其结果会偏“柔”，低估了地震力，而且由于纯框架模型侧移大，柱的用钢量反而比有支撑的模型大。支撑斜杆的两端连接节点虽然按刚接设计，但由于其承担的弯矩小，在模型中支撑构件可按两端铰接模拟。
3.3 弹性楼板模型的确定
由于工业厂房楼板开洞较大，且与钢梁间的约束较弱，因而在建模时可将工业厂房的楼板设定为弹性楼板。
3.4 主次梁节点应设定为铰接点
由于钢梁整体失稳模型为平面外的弯扭失稳，而且钢梁的抗扭模量很小。若次梁的端部存在弯矩，该弯矩会对主梁形成扭矩。为了防止主梁平面外的弯扭失稳，应将主次梁节点设计为铰接。
4 工程实例
4.1 工程背景
该工程是我省境内的一多层钢结构厂房，总建筑面积近4 000m2。首层层高4.4m，二层标高12.0 m。局部二层分别为: 7.0 m，16.0 m。局部一层为10.5m。夹层层高4.5 m，建筑高度22.2 m。为满足工艺要求，柱距纵向为5～11 m，横向为4～15 m；为设备承重需要，在每台设备四周设置4根箱形柱；为节约造价，所有箱形柱在12.0 m以上仅承受屋面荷载，截面变为工字型柱，其余的框架柱均为工字型柱。柱与独立基础刚性连接。屋面采用薄壁C型钢双拼檩条，墙面采用外挂夹芯板。由于使用功能的限制，仅在工业厂房外围纵向两轴设有交叉型柱间支撑。楼面采用普通现浇混凝土楼板以节约造价。梁柱节点采用典型的栓焊连结型。
4.2 设计分析计算
(1)计算荷载。基本风压0.3 kN /m2 ，地震烈度7度，地震加速度0.10 g，阻尼比取为0.35，主要荷载见表1。
表1 主要荷载
荷载名 荷载大小 荷载种类 作用位置
电极重量 720 kN /台 集中荷载 16.5 m平面
电极制动力 120 kN /台 集中动荷载 12.0 m平面
炉体自重 250 kN /台 集中荷载 4.4 m平面
变压器自重 300 kN /台 集中荷载 7.7 m平面
电缆重量 10 kN /m 悬挂荷载 12.0 m板底
水管重量 8 kN /m 悬挂荷载 4.4 m板底
原料堆载 10 kN /m2 均布荷载 4.4 m平面
其他楼屋面荷载
及吊车荷载 按规范取值 均布荷载
及悬挂荷载 各层平面及牛腿， 屋架吊点
(2)荷载工况。按《建筑结构荷载规范》规定，该工程应考虑X方向地震力作用、Y方向地震力作用、X方向风力作用、Y方向风力作用、恒载作用、活载作用下的标准内力。
(3)计算方法。结构分析，采用STS空间建模，并用Satwe软件完成框架杆件的强度和稳定、自振周期和节点强度等计算。
4.3 结果分析
(1)结构振型与自振周期。结构水平方向的主要振型无明显突变，说明结构沿高度方向的质量和刚度分布合理， X、Y方向及考虑扭转耦联时基本自振周期见表2。
表2 结构的自振周期(s)
振 型 1 2 3
X方向 1.9737 0.8544 0.4972
Y方向 1.2929 0.9604 0.5642
考虑扭转 2.2370 0.9028 0.5849
2)主要构件尺寸。本结构框架梁柱除受主要设备集中力的8根柱子采用箱形柱外，其余均采用焊接工字形截面，框架柱间支撑采用双槽钢支撑。主要梁柱尺寸见表3。
表3 梁柱截面形式(Q345钢材)
截面形式 H b tw Tf
箱形柱1 700 400 22 16
箱形柱2 550 400 18 16
工型柱1 550 400 12 22
工型柱2 550 250 12 16
工型柱3 400 250 12 16
工型梁1 950 300 18 20
工型梁2 800 300 16 20
工型梁3 620 200 10 14
工型梁4 500 200 8 14
工型梁5 300 150 6 8
4.4 计算结果
(1)构件的强度、刚度、稳定性。计算分析表明，各种梁、柱设计应力均控制在规范允许设计限值的90% ，结构构件的强度、刚度、稳定性好。各类节点验算也符合规范的要求。
(2)结构水平位移。结构的水平位移主要计算结果如表4、表5:
表4 水平风荷载作用层间位移和顶点位移
荷载方向 d/h D/H
X方向 1/512 1/649
Y方向 1/583 1/734
表5 地震荷载作用层间位移和顶点位移
荷载方向 d/h D/H
X方向 1/426 1/572
Y方向 1/481 1/631
以上结果均满足侧移的要求。
5 结 论
本工程在工期紧，并在山区冬季施工的情况下发挥了钢结构的巨大优势。尽管材料用量达到70 kg/m2 ，其造价略贵于混凝土结构方案。但由于施工的便利及施工周期的缩短带来的隐性经济效益却远远超过这点损失。同时由于钢结构建筑是绿色环保产品，并可以在今后充分回收利用，因而本工程的方案得到了当地政府的大力支持与赞扬，为甲方带来了巨大的社会效益。可见在未来的厂房设计中，多层钢结构厂房将以其自身的特点和优点，具备更广阔的前景和用途。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
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