论多层钢结构工业厂房的结构设计

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　　摘要：本文通过工程实例介绍了多层钢结构工业厂房的结构设计的一些基本思路。
　　关键词：钢结构 多层钢结构 工业厂房结构设计用钢量
　　
　　1.多层钢结构工业厂房的结构布置
　　1.1常用的结构体系选择
　　1)排架一支撑体系。即横向设计成刚接排架，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，但柱间支撑布置会受到厂房的工艺布局和使用功能方面的制约，需要结构设计师参与到前期的工艺和建筑设计中，以便综合考虑各方面后得到最优的方案。这种体系尤其适合纵向（柱距方向）长度较长，但横向（跨度方向）较短的厂房，可以很好的节省用钢量。
　　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都比较大的截面形式(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。
　　
　　1.2柱网布置
　　钢结构厂房的经济柱距一般在6~9m左右，但经常受到厂房内工艺布置和大型设备布局的影响，尤其是在楼层上还布置有大型设备或者生产需要有大量堆载时，这些工艺和设备的要求就对柱网的布置起着决定性的作用。在高度地震区的厂房如果有重型设备设置在楼层上时，在重型设备的周围宜均匀地布置一些钢柱，并使这些柱的形心与设备中心大致重合，以减少大型设备在地震力作用下产生的巨大顷覆力矩对支承梁的不利影响。
　　
　　1.3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和其它楼板。
　　
　　1.4支撑体系
　　在不影响生产操作和工艺、设备布置的前提下，应合理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中心接近重合的原则。其中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。
　　
　　1.5节点构造
　　钢结构的连接节点主要有以下几类：柱与基础的连接（柱脚连接）、上柱与下柱的连接、梁与柱的连接、主梁与次梁的连接、次梁与次梁的连接、柱与支撑的连接，梁与支撑的连接、支撑构件间的连接等。
　　近年来，针对以前典型的栓焊连接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、狗骨式节点等。对于一般的多层钢结构工业厂房仍可采用典型的栓焊连接型粱柱刚接节点。但在强震区宜使用能将塑性铰自梁端外移的狗骨式节点。
　　
　　2.使用软件分析结构内力的特点
　　使用的计算软件为PKPM系列的STS模块和SAT-8模块。
　　2.1网格生成平面简化
　　某些工业厂房的构件布置复杂，在应用软件建模时，如果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，在这时候，就需要利用一些简化手段，适当的将构件移动并通过等效代换等方法，使模型尽量符合实际情况。
　　
　　2.2利用柱间支撑调整结构
　　排架结构里的纵向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，为满足侧移的要求，必然需要加大柱的刚度，这样就加大了整个结构的用钢量。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。
　　
　　2.3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。
　　
　　2.4主次粱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。
　　
　　3.工程实例
　　本工程是一多层钢结构厂房，总建筑面积近2000m2。首层层高4.4m，二层标高12.Om。局部二层分别为：7.0m，16.Om。局部一层为10.5m，夹层层高4.5m，建筑高度22.2m。为满足工艺要求，柱距纵向为6-10m，横向为5-9m；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，因所有箱形柱在12.0m以上仅承受屋面荷载，所以在12.0m以上截面变为H型柱．其余的框架柱均为H型柱。柱与独立基础刚性连接。为节省造价，屋面采用冷弯薄壁Z型连续钢檩条。墙面考虑窗布置的需要，没有采用Z型连续檩条，而是采用冷弯薄壁C型钢檩条，以方便窗的设置。屋面采用现场复合双层彩钢板+保温棉，墙面采用外挂夹芯板。由于使用功能的限制，仅在厂房外围纵向两轴设有X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节点。
　　3.1设计分析计算
　　1)计算荷载。基本风压0.3kN／m2，地震烈度Ⅶ度，地震加速度0.10s，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 备注
　　输送电机自重 450KN/台 集中静荷载 16.0m层平面 共1台
　　输送电机制动力 150KN/台 集中动荷载 12.0m层平面 共1台
　　加热炉体自重 350KN/台 集中静荷载 4.4m层平面 共1台
　　变压器自重 300KN/台 集中静荷载 7.0m层平面 共1台
　　电缆线自重 10KN/m 悬挂静荷载 12.0m层平面 沿柱列纵向
　　水管重(含水重) 8KN/m 悬挂静荷载 4.4m层平面 沿柱列纵向
　　原料堆载 10KN/m2 均布活荷载 4.4m层平面 全层满布
　　其它楼面和屋面荷载 按规范取值 静载或活载 各层平面
　　
　　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SAT-8软件完成框架杆件的强度、稳定、挠度等计算。
　　3.2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)
　　振型号 第1振型 第2振型 第3振型
　　X方向 1.6952 0.8843 0.3985
　　Y方向 1.3356 0.9252 0.5562
　　考虑扭转 2.1132 0.9155 0.5568
　　
　　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 截面高度H 截面宽度B 腹板厚度Tw 翼缘厚度Tf
　　箱型柱1 600 600 25 25
　　箱型柱2 500 500 20 20
　　H型柱1 600 350 14 22
　　H型柱2 500 300 12 20
　　H型柱2 450 250 12 16
　　H型梁1 800 300 16 22
　　H型梁2 750 300 16 22
　　H型梁3 600 250 14 20
　　H型梁4 500 250 12 16
　　H型梁5 400 200 10 12
　　H型梁6 350 200 8 12
　　3.3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％，结构构件的稳定性、挠度等均按规范控制。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 水平风荷载作用下层间位移比和顶点位移比
　　荷载方向 层间位移d/h 顶点位移D/H
　　X方向 1/522 1/653
　　Y方向 1/593 1/766
　　
　　表5 地震荷载作用下层间位移比和顶点位移比
　　荷载方向 层间位移d/h 顶点位移D/H
　　X方向 1/566 1/731
　　Y方向 1/653 1/621
　　
　　以上结果均满足规范对位移的要求。
　　4.结束语
　　经与类似混凝土工程比较，本工程钢结构造价会略高于混凝土结构。如果考虑到施工周期的缩短所带来的隐性时间经济效益，同时考虑到钢结构建筑是绿色环保产品，并可以在今后充分回收利用，可以说，在工业厂房设计中，钢结构厂房将以其自身的特点和工期优点，会具备更广阔的前景和用途。

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