多层钢结构工业厂房的设计与工程实例的探讨

摘要：随着国民经济的快速发展，信息技术的进步，我国多层建筑也在不断的发展，其设计思想也在不断的更新，建筑物的结构体系也变得越来越多样化，建筑的竖向体型和平面布置日趋复杂，这些变化均在不同程度上提升了对多层建筑结构分析以及设计的要求。文章就多层钢结构工业房的设计进行探讨，据其设计原则和特点进行介绍，并结合向相关的工程实例，就其目前常用的机结构体系进行阐述。

关键词：多层钢结构；工程实例；工业厂房；设计

中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：

1 多层钢结构工业厂房的设计原则

在设计多层钢结构工业房的时候，必须要遵循以下几个方面的原则：第一，建筑结构设计整体化，传统钢结构建筑的设计一般遵循的是先建筑后结构的原则，而现行的这种多层钢结构，因其采用的是一种特殊材料与先进设计软件相结合的技术，因此，在设计中可同步完成结构设计和建筑设计，即建筑结构的一体化设计，通过这种方法能够更为完整地将建筑风格表现出来。同时，围护系统和 结构设计也可同一进行。第二，截面设计的优化。在选择截面的时候，应该优先选择厚度较薄的截面，其原因是因为在相同钢量的情况下，其截面越大，则其刚度也就越大，同时在选择时，还应注意相关规定中关于最小截面的问题，若建筑屋架杆件角钢边长需采用C级螺栓来连接支撑杆件，在此时必须要注意关于螺栓最大直径的选用。此外，为了便于备料，多层钢结构工业厂房所用的角钢规格与角钢品种尽量控制在五种以内，若两种规格尺寸较为接近，最好代用统一规格。

2 多层钢结构工业厂房设计

在设计多层钢结构工业厂房的时候，结构布置是比较难的一个环节，其不仅要考虑结构整体刚度的大小问题，同时还要考虑结构整体刚度的均匀问题，具体讲就是柱子的主方向朝向以及剪力墙与支撑墙具置的设置。在实际设计过程中，建筑的使用功能和结构布置往往是存在着一定冲突的，针对这些冲突，实时调整结构布置，尽量在满足建筑使用功能的基础上，使其结构布置更为合理。因此在设计时，应该注意以下几个问题：

2.1 支撑布置

在不同类型钢框架体系中，最好的一种抵抗水平侧力结构体系为常规加设柱间支撑框架。横向框架垂直支撑的布置原则为：在符合规范要求以及工艺要求的前提下，横向结构体系应该采用撑和铰混合体系，同时为了确保空间体系的完整性和均匀分布刚度，在局部一些缺乏混凝土楼层的位置应该适当地增加楼层水平钢支撑，使结构的水平作用可合理传递。

在不影响正常生产操作的前提下，应该沿着厂房的四周进行垂直支撑与水平支撑的设置，支撑布置应该遵循抗侧力中心和水平地震作用相重合原则，其中最重要的柱间支撑是偏心支撑和中心支撑。通常情况下，多层钢结构工业厂房采用的是中心支撑，其中心支撑最好为交叉支撑、单斜杆支撑或者人字支撑，不可采用k型支撑。由于中心支撑一般适用于地震力比较小且构造比较简单的结构，若厂房是高层钢结构或者位于强震区，应该采用耗能能力更好且延性好的偏心支撑。

2.2 结构的计算

在初选梁与柱的截面时，应该考虑构造的相关要求，不可为了一味追求钢指标而加大梁、柱的截面高度，采取一些将腹板厚度变薄和翼缘宽度变窄等相关措施，以免出现负效应。同时在结构分析过程中，必须要注意建筑结构在风荷载作用与地震作用下自振周期、层间位移以及顶点位移等问题。

2.3 常用结构体系

2.3.1 框架支撑体系。即横向设计成刚接框架，而纵向设计成为柱—支撑体系，通过柱间支撑来抵抗水平荷载，该体系虽然经济节约，但是柱间支撑对建筑使用可能会造成一定的影响，一般适用于横向比较短和纵向较长的厂房。

2.3.2 纯框架体系。将厂房的纵横两个方向均设计成为刚接框架，不需设置柱间支撑，其优点就是使用空间不会受到影响，其柱不宜使用工字型柱，而是应该采用的两个方向惯性矩差别不是很大的截面形式（比如箱形柱），同时还要增加其使用的钢量。

2.3.3 钢架加支撑的一种混合体系。该体系和上述第一种体系的不同就在于将纵向设计成为钢架与支撑混合的体系，通过两者来共同抵抗水平力，这种体系能够有效降低柱的纵向弯矩，在该体系中其楼度的刚度必须要高，不然柱间就会变形和不协调，不能充分发挥柱间的支撑作用。

2.4 柱网布置与楼盖布置

通常柱距为6m左右，针对其实际需求可利用4.5m— 12m左右的柱网。在重型设备附近尽量均匀且单独的布置一圈柱，同时还应该让柱和设备中心重合，从而降低在地震力的作用下这些大型设备出现的巨大倾覆力矩对支承量造成的不利影响。

楼盖的类型主要包括普通现浇混凝土楼板、压型钢板现浇钢筋混凝土的组合楼板、装配式的预制钢筋混凝土楼板等，因楼板自身形式的不同，因此其优缺点也会有所不同。而对于多层钢结构工业厂房来讲，通常情况下采用压型钢现浇的钢筋混凝土楼板。

3 工程实例

该工程是用于冶炼电石的一座多层钢结构厂房，其建筑的总面积接近于400m2，其首层的层高为4.4m，二层的标高为12.0m，局部二层各自为7.0m和16.0m，局部一层是10.5m，建筑的高度为22.2m，夹层的层高为4.5m，为了符合工艺的需求，柱距纵向在5m—11m范围内，其横向在4m—15m范围内。同时为了满足设备承重需求，在每一台设备的四周分别设置了4根箱形柱，且为了减少造价，所有的箱型柱均在12.0m以上仅以承受屋面的荷载即可。其截面为工字型柱，其余框架柱也均是工字型柱，柱和独立基础进行刚性连接。建筑屋面采用的是薄壁c型钢双拼擦条，而墙面采用的是外挂夹芯板。因受到使用功能的限制，只在厂房的纵向两轴处设有相应的交叉型柱间支撑。此外，梁柱节点采用的是典型栓焊连结型。

3.1 设计的分析与计算

3.1.1 荷载的计算，其基本烽烟为0.3kN/m2，地震烈度为7级，其荷载的计算主要如表1所示。

3.1.2 荷载的工况，根据建筑结构荷载的相关规范要求，该工程着重考虑了X方向与Y方向的地震力作用、风力作用、恒载作用以及活载作用下所产生的标准内力。

3.1.3 计算方法。结构分析并利用STS空间来建模，同时用SATWE软件来计算框架杆件的强度、自振周期以及节点强度等。

3.2 结果分析

3.2.1 结构振型和自振周期，其结构水平方向中的主要振型并没有什么明显的突变，说明结构沿着高度方向的刚度与质量合理，其中结构自振周期主要如表2所示。

3.2.2 构件的主要尺寸。在本结构的框架梁柱除了采用箱形柱以外，同时还采用了焊接工字形截面，框架护柱间支撑采用的是双槽钢支撑，其中梁柱的尺寸如表3所示。

3.2.3 通过计算分析表明，各种梁与柱设计应力都控制在规定匀速设计限制的90%，其结构的构件强度、稳定性以及刚度均比较好，各类节点的验算均满足规定要求。此外，结构水平位移的计算结果主要如表 4和表5所示。

4 结束语

该工程的造价比混凝土结构方案要略高，但是因施工的便利以及缩短施工周期，在不同程度上也带来一些隐性的经济效益。同时因这种钢结构建筑属于绿色环保产品，能够在今后进行充分的回收利用。从而可见在未来工业厂房的设计中，这种多层钢结构的厂房将会以自身所特有的特点以及优点，具备更为广阔的发展前景。

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