冶金类多层钢结构厂房设计与实例

摘要多层钢结构工业厂房相比多层混凝土工业厂房有很多自己的特点。本文结合具体实例介绍了多层钢结构工业厂房的结构体系、布置特点、计算方法及构造要求。

关键词多层工业厂房; 钢结构; 节点

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

1工程实例

1.1工程背景

该工程是位于河南省西峡县境内的用于炼钢的多层钢结构厂房,。本工程典型剖面见下图。柱与独立基础刚性连接。屋面采用薄壁C型钢

檩条,墙面采用外挂彩钢板。楼面采用花纹钢板板以节约造价。梁柱节点采用典型的栓焊连结型。

1.2设计分析计算

(1)计算荷载。屋面恒载0.30kn/m2，屋面活载0.50kn/m2，基本风压0.35kN /m2 , 基本雪压0.35kN /m2 ,地震烈度6度,地震加速度0.05 g,阻尼比取为0.35,主要吊车荷载及楼面荷载见工艺图。

(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SAP2000空间建模,完成框架杆件的强度和稳定、自振周期等计算。

1.3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。结构的水平位移也符合规范的要求。

2多层钢结构工业厂房的特点

(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215～20 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。

3多层钢结构工业厂房的结构布置

3.1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。

3.2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415～12 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。

3.3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,多层钢结构工业厂房宜采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板。

3.4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。

3.5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。

4使用软件分析结构内力的特点

4.1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。

4.2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。

4.3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。

4.4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。

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。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。可见在未来的工业厂房设计中,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。