探讨某重型钢结构厂房设计

摘 要:本文作者结合工程实例简要的叙述某重型钢结构厂房结构设计思路、构造要求、计算依据和结果，并深入的介绍对钢管混凝土格构柱的设计方法。

关键词:钢结构；厂房设计；刚架计算

中图分类号：TU391文献标识码： A

一、钢结构体系

该工程所在地为非采暖地区，按照《钢结构设计规范》表 8.1.5，厂房纵向温度区段长度控制值为220 m,横向温度区段长度控制值为 120 m(柱顶为刚接)。厂房纵向长度为 300 m，需在中部设一道温度缝，横向宽度为180 m，其中低跨部分 120 m,高跨部分 60 m。 考虑到高低跨对温度应力的释放作用，且低跨 120 m 未超长，故仅构造上加强，不设温度缝。加强做法如下:（1）对边柱的应力进行适当控制，使其上阶柱(型钢柱)应力比不大于 0.9；（2）梁节点设计时，轴拉力设计值增大 10%，以加强屋面梁连接节点。厂房屋盖在两端及 1/3 温度区段处布置横向水平支撑及柱间支撑,纵向则隔跨布置纵向水平支撑，高跨和低跨按各自的标高与横向水平支撑组成相对独立的封闭支撑体系。

二、钢管混凝土格构柱的选用

2.1 钢管混凝土柱的特点

由于钢管对其内部混凝土的约束作用，在轴压力作用下，钢管混凝土柱内部混凝土处于三向受压状态， 不但提高了钢管混凝土柱的抗压承载力，具有较好的塑性变形能力，而且在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。与普通钢柱相比，钢管柱柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造，但是钢管内部特别是节点处混凝土的密实性比较难以控制。从观感上看，钢管混凝土格构柱比型钢格构柱更美观。

2.2 经济性比较

该工程初设时，对钢管混凝土格构柱和型钢格构柱的经济性作了比较，在不同柱距下的材料用量详见表 1 从不同柱距的结果来看，当柱距增大时，主体用钢量先降低再增长，而吊车梁用钢量保持上升趋势，且幅度较大，导致总用钢量先缓慢降低再迅速增长，管桩的用量则由于柱子数量的显著减少而降低；从不同材料来看，钢管混凝土柱的抗压性能比较好，随着柱距增大，其性能优势渐渐得到发挥，其经济性也逐渐得到体现。

注:此用钢量仅为估算

由于该工程低跨部分吊车吨位较小，从整体考虑，钢管混凝土柱的经济性优势并不显著，但考虑到美观及施工等原因，结合上部用钢量和基础造价进行比较，最终选用柱距为 9 m 的钢管混凝土格构柱。

三、刚架构造要求及依据

3.1 型钢柱、梁板件宽厚比控制

抗规 9.2.14.2 条规定:轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。 塑性耗能区外的板件宽厚比限制，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值（注:腹板的宽厚比可通过设置纵向加劲肋减小）。抗规 9.2.14.2 条文说明规定:C 类定义:当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力（2 倍多遇地震作用下的要求）时，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值，即 C 类。C 类宽厚比要求:C 类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017 按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况。从以上条文可知，该工程可以按照 C 类截面要求进行性能化设计， 其中耗能区段可以参照抗规9.2.11 条文说明对刚架梁端最大应力区的规定，取距梁端 1/10 梁净跨和 1.5 倍梁高中的较大值。

3.2 钢管混凝土格构柱设计

目前，有关钢管混凝土格构柱设计的主要参考规范为:①《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、②《 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 》 （CECS 28:2012）、③ 《 钢―混凝土组合结 构设计规程 》 （DL/T5085-1999），其中《钢结构设计规范》仅对钢管结构的构造与钢管杆件的计算提出了要求（格构柱缀件构造与计算）。

（1）材料要求

该工程采用的是螺旋焊接管， 螺旋焊接管常用规格如下:D219×6~8，D273×6~8，D325×6~8，D377×6 ~10，D426 ×6 ~10，D478 ×6 ~10，D529 ×6 ~10，D630×6~10,D720×6~12 等。在材料上规范③的 6.2.4 条明确提出,钢管内混凝土的强度等级不宜低于 C30，可参照下列材料组合:Q235 钢 配 C30 或 C40 级 混 凝 土 ；Q345 钢 配C40、C50 或 C60 级 混凝土 ；Q390 配 C50 或 C60 级以上的混凝土。 同时，构件截面的套箍系数标准值不宜小于 0.5。

（2）钢管构造

1）在外径与壁厚之比 d/t 及壁厚等构造上,各本规范有不同的规定: 规范①规定 d/t 不应超过 100（235/fy）；规范②规定 d/t 限制在（20~135）235/fy 之间，且外径不宜小于 200 mm，壁厚不宜小于 4 mm；规范③规定 d/t 限制在 20~100（注意无强度调整,即含钢率控制在 0.2~0.04）之间，且外径不宜小于 100mm，壁厚不宜小于 4 mm。 该工程设计时结合三者，控制 d/t 不应超过 100（235/fy），且主管(带混凝土)壁厚不小于 4 mm。2）规范③6.4.10 条规定了格构式柱腹杆的形式及构造，本工程所采用的是斜腹杆格构式柱，主要要求如下:①斜腹杆与柱肢轴线间夹角宜为 40~60 度；②杆件轴线宜交于节点中心；腹杆轴线交点与柱肢轴线距离不宜大于 d/4,当大于 d/4 时，应考虑其偏心影响；③腹杆端部净距不小于 50 mm。

3.3 其他构造要求

（1）分离式柱子

当吊车吨位在75t及75t以上时，不适合采用牛腿来支承吊车梁，宜在下层吊车梁下设单独的吊车肢。

（2） 钢吊车梁的材质要求

《钢结构设计规范》3.3.4 条规定吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

3.4 工程采用的刚架及部分节点大样

（1）考虑到荷载较小,该工程采用双肢格构柱，钢管柱材质为 Q345B,钢管柱缀条采用 Q235B,钢管柱柱肢内均浇灌微膨胀 C40 混凝土

（2）施工方法采用泵送顶升浇灌法,在钢管接近地面的适当位置设灌注孔，钢管内混凝土必须一次性连续浇灌完毕,一定要保证密实,待混凝土强度达到设计要求后,再将灌注孔、排气孔等补强补焊。

（3）考虑到结构经济性及施工便利性，钢管柱采用插入式柱脚与杯口基础连接。

四、刚架计算

（1）柱顶位移要求《钢结构设计规范 》附录 A.2.1“在 风荷载标准值作用下，框架柱顶水平位移和层间位移不宜超过下列数值: 有桥式吊车的单层框架的柱顶位移≤H/400”。

（2）行车水平荷载作用下的侧向位移

《钢结构设计规范》 没有关于中级工作制行车钢结构厂房的在行车水平荷载作用下侧向位移的限值要求，根据经验，在满足行车正常运行的前提下，按平面结构图形计算，吊车梁顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范）所产生的计算变形值，不宜超过下述容许值:100 t 行车 1/850150 t 及以上 1/1 250

（3）挠度要求屋面梁挠度限值取 1/250， 主要考虑重型吊车的原因，对屋面的刚度做适当加强。

（4）长细比要求构件长细比按照《钢结构设计规范》表 5.3.8 及表 5.3.9 要求,其中重型吊车以下柱间支撑的长细比按拉杆计算，且不考虑压杆的卸载作用。

（5）该工程刚架计算

采用 PKPM 软件进行刚架计算时，需注意图中所示的应力比为构件考虑长细比影响的整体承载力折减系数,及偏心影响的整体承载力折减系数后，其作用轴力与整体承载力的比值。 在此比值满足要求的同时，尚应确认单管作用力与承载力的比值满足要求，易出现整体计算满足要求而单管轴压比超出的情况。

参考文献:

[1] GB 50017-2003,钢结构设计规范

[2] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范

[3] CECS 102-2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程