某厂房设计中的问题分析

【摘 要】近年来重型厂房的设计多采用普通钢结构格构式柱和实腹式屋面梁体系，屋面和墙面均采用彩钢板；这种结构自重轻，抗震性能好，施工速度快。笔者针对某钢结构厂房设计中遇到的一些问题，如结构整体的计算、柱间支撑设计等相关问题进行分析和研究，以便对类似工程的设计提供参考。

【关键词】钢结构厂房；局部稳定；柱脚；柱间支撑

该厂房为三跨（36m+36m+30m），其中一个36m跨檐高33m，设有双层吊车，上层吊车600t、轨高24m，下层吊车200t、轨高15m；另外一个36m 跨为200t 吊车，轨高15m；30m 跨为50t 吊车，轨高15m。柱距主要为12m和18m柱距；柱子主要为普通钢结构格构式柱和钢管混凝土柱，围护系统为轻型结构彩钢板。

1 结构整体计算

目前的结构计算基本上都采用计算软件来进行，对软件的不理解和不熟悉都会造成设计上的不合理，甚至不安全。这里针对以下几个容易出错的问题进行探讨。

1.1 荷载问题

荷载的取值对结构计算影响较大，取小了不安全，取大了不经济，尤其对于大跨度轻型屋面结构。荷载取值应按照《建筑结构荷载规范》进行。一般情况下屋面恒载应按照实际情况计算取值，屋面活荷载可取0.5kN/m2，风荷载、雪荷载和积灰荷载等按规范，其他附加荷载应按实际情况输入。需要说明的是，屋面活荷载和雪荷载在计算时应取二者的大值作为活荷载输入，有积灰的还应考虑积灰荷载。厂房屋面的通风器由于其高度和宽度都较大，计算时应按照实际情况转化为集中载荷输入。在厂房的高低屋面处，还应考虑积雪的堆积影响，防止由此产生的屋面结构的破坏。同样局部风荷载的增大也会使屋面板和檩条的连接被撕坏，从而将屋面板掀起来。

1.2 结构计算

目前的钢结构厂房的计算多采用二维软件对其中的一榀钢架进行计算，整体三维分析仍然不够成熟方便。此处对结构计算时的几个问题进行简单分析。

1.2.1 屋面梁的平面外计算长度可取隅撑的间距，一般对有托梁体系的小檩距屋面可取两个檩条的间距（约3m），对无托梁的大檩距屋面可取檩条间距（约4m）。对重型钢结构厂房，柱子的平面外计算长度不应考虑隅撑的作用，尤其是格构式下柱，否则是不安全的。

1.2.2 阶形柱的平面内计算长度应该按照《钢结构设计规范》确定，按线刚度比来确定会导致部分中柱确定的计算长度系数异常。用PKPM系列软件STS（05版）对某工程进行计算时发现，当柱段中间出现刚接梁（如高低跨情况），程序就按线刚度比确定柱的计算长度系数，导致该柱的计算长度系数特别异常。新版的PKPM（08版）已改为按照阶形柱的方式来确定柱计算长度系数，但仍可以人工按照线刚度比的结果进行修改。笔者认为，对于阶形柱，按《钢结构设计规范》阶形柱来确定柱平面内计算长度系数更合理一些。

1.2.3 用STS软件计算厂房柱，荷载组合中没有单独的恒+ 活+ 吊车的组合，有吊车的组合都有风，有时风作用是有利的，因此在吊车荷载与风荷载同时组合时，对于吊车为主的组合，判断了一下风载是有利还是不利的，不利时，考虑与吊车进行组合，有利时可以不考虑风荷载。STS（05版）对是否有利是按M、N、V 各自分别判断的，因此可能会出现M 含有风的组合，N 则没有风的组合的不合理情况，导致计算结果偏大；STS（08版）改进为：根据组合的吊车主控制项，如吊1 的组合为+Mmax 主导作用的组合，则判断风载是否不利只根据M 项来判断，当为不利时，则同时都把风载M、N、V组合进来，保证是同时发生的，STS（08版）这样组合更合理。

2 柱间支撑的计算

从历次地震中所发生的单层钢结构厂房的实际震害来看，厂房柱间支撑结构的震害主要表现为：上下柱斜撑的平面内屈曲，下柱支撑与柱连接节点的破坏和杆件拼接处的断裂。柱间支撑是厂房纵向的主要抗震构件，因此其设计尤为重要，应进行严格的计算和采用合理的节点构造。

2.1 一般情况下，柱间支撑杆件的设计是由长细比控制的。但对于重型厂房、风荷载较大、设防烈度较高地区，尤其是厂房只设有一道下柱支撑时，支撑设计会转变为由强度或刚度控制。

2.2 作用在柱间支撑上的荷载一般有山墙传来的风荷载、吊车的纵向水平力、地震荷载和其它水平力（如管道推力等），风荷载和地震荷载不同时组合。吊车的纵向水平荷载标准值应按作用在一边轨道上所有刹车轮的最大轮压之和（ΣPmax）的10%采用，ΣPmax 可取同一柱列吊车梁上由两台起重量最大的吊车所有刹车轮（一般每台吊车的刹车轮数可取吊车一侧轮数的一半）的最大轮压之和，对双层吊车每层都应考虑；但按荷载规范，每一柱列纵向刹车力最多同时考虑两台，对双层吊车可上下各考虑一台。柱一侧的吊车纵向制动力只能由紧挨其一侧的单片下柱支撑承受。上柱支撑传至下柱支撑的风荷载应按比例分配给下柱支撑的两片。

2.3 柱间支撑在屋顶、上下支撑间及柱底基础间均应设置压杆或压梁，以保证传力准确。上下柱撑间的压杆可用吊车梁来代替，但应验算一般开间和柱间支撑开间吊车梁与柱牛腿的连接强度以及牛腿平面外构件和连接的抗弯强度。

2.4 正常设计的柱间支撑其破坏多发生于节点处。柱间支撑的节点设计一般有螺栓连接和焊缝连接两种形式。震害统计表明，螺栓连接节点的损害率高于焊接连接节点，原因是连接节点存在构造缺点。螺栓连接在节点上的开孔削弱了节点板的受力面积，造成孔边应力的集中，致使断裂破坏。建议节点设计可采用少量安装螺栓加焊缝的连接方式，但焊缝必须根据计算确定。对节点设计要按保证节点强度大于杆件强度，支撑与柱的连接不应小于支撑杆件塑性承载力的1.2 倍。

3 柱脚设计

钢结构的柱脚主要有以下几种：外露式刚接柱脚、插入式柱脚、埋入式柱脚和外包式柱脚等。一般情况下，工业厂房设计通常采用外露式刚接柱脚和插入式柱脚，后两种柱脚常用于多、高层钢结构建筑物。

外露式钢柱柱脚支座连接破坏特征是柱脚底座的锚固螺栓剪断或拉坏，甚至拔出。柱脚连接的破坏使钢柱失去稳定，导致厂房因柱倾斜而倒塌。插入式柱脚对单杆轴心抗拉试验的破坏均发生在基础杯口内侧面与二次浇灌层之间，而钢柱与二次浇灌层的黏结面不论钢柱底部有无底板，均未见破坏；格构式柱插入式整体柱脚杯口基础的破坏机理与单杆轴线抗拉有所不同，受拉肢除承受拔力外，其插入段对混凝土基础的侧壁产生撬力，故基础是在拉力和撬力的共同作用下形成以拉、剪为主的裂缝，最终以受撬力作用的杯壁块体突然向外崩出而破坏。外露式柱脚在轻钢结构厂房和6度、7度时可采用，其它情况应采取保证能传递柱身承载力的插入式柱脚。另外单层厂房柱的外露式刚接柱脚消耗钢材较多，即使采用分离，柱脚重量也约为整个柱重的10%～15%。为了节约钢材，目前多采用插入式柱脚。

目前很多设计单位对插入杯口的柱段设置栓钉，以便增加钢柱表面与二次浇灌层的黏接力，但试验表明破坏一般发生在基础杯口内侧面与二次浇灌层之间。而且设置栓钉后还需增大杯口尺寸，一些施工单位则采用钢筋来代替栓钉，并且焊接质量较差，有的用脚都能踢掉，严重影响结构安全。《钢结构设计规范》只是要求埋入式和外包式柱脚宜在埋入部分和外包部分的柱翼缘上设置栓钉。因此，对插入式柱脚插入混凝土中的部分可不设置栓钉。

4 结论

有时候规范的制定其实并不能涵盖所有工程结构设计的情况，钢结构厂房设计在满足工艺布置的前提下，需要我们设计人员了解具体项目的实际特点，运用规范，灵活把握，才会使得工程结构设计更加安全经济合理。