某重型钢结构厂房结构设计

摘要：以某重型钢结构厂房的结构设计为背景，重点介绍了结构布置、横向框架的计算简化、厂房纵向刚度的计算简化和柱的计算，并采用有限元软件进行校核，同时谈谈自己的做法和体会，希望能为类似工程提供参考。

关键词：重型钢结构厂房；结构设计；横向框架；纵向刚度；柱的计算

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

引言

重型钢厂房具有承载能力较强，整体刚度及抗震性能好，耐热，钢构件便于制作、运输及安装，厂房的建造周期短等优点。近年来，在冶金、机械制造、造船、火力发电、飞机制造等行业普遍应用。这类结构的显著特点是跨度大，高度大，吨位大，有些厂房的跨度可达30m，高度达60m，吊车起重量高达1200t，耗钢量很大。随着我国钢材产量、品种的日益增加，以及综合考虑制造、运输、安装等多种因素，钢结构厂房的应用会更加广泛。

1.工程概况

某重型钢结构厂房用于单层船体高跨车间，其建筑总面积约为33690㎡，形状规则，呈长方形，檐高为26.5m，结构总高度为28.3m，车间纵向长度约为231m，横向长度约为144m。该车间为4跨，高度和宽度均一样，跨度为36m，高度为28.3m，配备为30~200t不等的桥式吊车，柱间距均为12m。本工程厂房上部结构采用钢结构，屋面为网架结构，基础形式采用预应力静压管桩基础，取粉细砂层或粉细砂与粉质粘土交互层为桩基持力层。该结构的厂房平面布置图及剖面图分别如图1和图2所示。本工程很有代表性，因为该车间尺寸均为国内少见，为此本文针对此次钢结构设计中的一些特殊之处，谈谈自己的做法和体会，望能为类似工程提供参考。

图1 平面布置图

图2 横向剖面图

2.结构设计与分析

（1）设计基本参数

本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，基本地震加速度 0.05g，地震分组第一组，建筑场地类别 III 类，按 6度采取抗震构造措施，建筑场地不考虑地基土液化，地面粗糙程度B类，建筑结构安全等级为二级，建筑结构合理使用年限为50年 (屋面15年)，屋面活荷载为0.35kN/㎡，屋面恒荷载为0.3kN/㎡，风荷载为0.505kN/㎡，吊车选用软钩吊车，工作级别均为A5，荷载组合按规范来确定，钢柱材料采用Q345b和Q235b两种形式。

（2）结构布置

厂房的结构布置要综合考虑工艺、结构、经济和建筑模数标准化的要求。从结构要求方面考虑，为保证厂房的正常使用，使房屋具有足够的横向刚度，本工程将柱布置在同一横向轴线上。同时，以所有柱列的间距均为相等的布置方式（柱间距为12m）。这时厂房横向刚度最大，屋盖和支撑系统布置最为简洁，本工程吊车梁的跨度均为相等，保证结构构件达到最大限度的定型化和标准化。从经济角度考虑，柱的纵向间距的大小对结构重量影响很大。加大柱距，柱的数量及重量减少，但会使布置在柱距间的屋盖结构、吊车梁和托架的重量增加。最适宜的柱距与柱上的荷载及柱高有密切关系。屋面支撑选用角钢支撑，纵向屋盖支撑按照通长设置，为了提供厂房整体刚度，将纵向支撑与横向支撑组成一个封闭体系；厂房在屋檐、屋脊、转折处以及相应位置通长设置刚性系杆。

（3）横向框架的计算简化

本单层厂房框架由柱和屋架组成，各框架之间由屋面板或檩条、托架、屋盖支撑等纵向构件相互连接在一起，故框架实际上是一个空间工作的结构。当框架受荷载后，通过纵向构件的联系作用，将部分荷载传递到相邻不受载的框架上去，从而减少了直接受载框架的负担。在这种情况下，以大型钢筋混凝土屋面板和屋盖纵向水平支撑的刚度最大，传力较可靠。但空间结构的计算工作繁重，且大型屋面板与屋架的焊接质量也常常不能完全保障，本工程中将框架分解为平面计算单元，即假定各计算单元之间是相互独立的，同一计算单元中的屋盖为一刚性体，使各点侧位移相等。在计算中不考虑屋盖上的天窗架和檩条、厂房内的吊车桥架、吊车梁系统、平台、墙架构件等参与框架的共同工作。

（4）厂房纵向刚度的计算简化

厂房的纵向刚度主要由柱间支撑和其他纵向框架结构来保证。由于本工程属于重型，因此设有重级工作制吊车的厂房柱，在吊车梁或吊车桁架的顶面标高处，由一台最大吊车纵向水平荷载标准值(不乘动力系数)所产生的计算位移值，不应超过柱的纵向水平位移容许值。柱的纵向水平容许位移值应控制为H/4000，其中H为自柱脚底面至吊车梁或吊车桁架顶面的高度。计算柱的纵向位移时，我们做了下列的假定：1)仅考虑柱间支撑或其他纵向框架的刚度，而忽略柱刚度的影响；2)当纵向水平构件(如吊车梁系统结构、墙架等)的截面较大时，忽略其轴向变形的影响；3)计算十字形交叉支撑时，仅考虑拉杆受力而压杆不受力，支撑与柱的连接节点为铰接；4)吊车纵向水平荷载分配在温度区段内所有柱间支撑或纵向框架上。

（5）柱的计算

本工程的框架柱均为压弯构件，在计算时，应进行截面强度计算、框架平面内和框架平面外的稳定性计算。其中格构式柱还应进行整体稳定计算、分肢的强度和稳定计算以及缀件的设计。此外还须核算截面受压部分的局部稳定。经计算本工程的柱尺寸采用200*200mm。

（6）计算结果

本工程选用中国建筑科学研究院出版的PKPM系列软件进行重型钢结构建模、内力计算以及结果分析。同时用同济创迪钢结构系统电脑辅助设计软件3D3S 11.0和冶金部建筑研究总院的PS2000对设计结果进行校核。整个设计过程均按照国家现行规范设计，柱子和梁等构件的应力均能满足设计规范的要求，厂房的主要节点荷载位移和地震位移均能满足规范的变形要求（如图3）。

图3 吊车水平荷载和地震位移

3.钢结构设计的体会和需注意的问题

（1）支撑杆件的设计

平面屋架本身在屋架平面外的侧向刚度和稳定性则很差，受到水平荷载后极易产生较大的变形，为使屋架结构有足够的空间刚度和稳定性，必须在屋架间设置支撑系统屋架的横向和纵向水平支撑都是平行弦桁架，屋架或托架的弦杆均可兼作支撑桁架的弦杆，斜腹杆一般采用十字交叉式，斜腹杆和弦杆的交角在30°~60°之间。通常横向水平支撑节点间的距离为屋架上弦节间距离的2～4倍，纵向水平支撑的宽度取屋架端节间的长度，一般为6m左右。

（2）温度缝

温度变化将引起结构的变形，使结构产生温度应力，并可能导致墙和屋面的破坏。故当厂房平面尺寸很大时，为避免产生过大的温度应力，应在厂房的横向或纵向设置温度伸缩缝。围护结构可根据具体情况参照有关规范单独设置温度缝。无桥式吊车厂房的柱间支撑和有桥式吊车厂房在吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑，宜对称布置于温度区段中部。当不对称布置时，上述柱间支撑的中点(两道柱间支撑时为两支撑距离的中点)至温度区段端部的距离，不宜大于表中纵向温度区段长度的60％。

（3）柱脚构造

在实腹式柱中均采用整体式柱脚，而在格构式柱中则可采用分离式柱脚或整体式柱脚。但一般格构式柱由于两分肢的距离较大，采用整体式柱脚所耗费的钢材较多，故在大多数的情况下宜采用分离式柱脚。为了使柱所承受的荷载安全地传递到基础中，柱脚要有适当的整体刚度，各部分的板件要有足够的强度和可靠的连接。

4.结束语

由于重型钢结构具有自重轻、性能好、环保、施工速度快、劳动强度小、工厂化程度高等优点，越来越多的厂房采用此种形式，而混凝土结构厂房也慢慢的被取代了，本工程于2012年初开始施工，在2013年3月初投入使用，经过试运行，业主对该工程的设计和施工很满意，而实际情况也证明本工程设计效果良好。

参考文献：

[1]周瑞．某重型钢结构工业厂房结构设计 [J]．建筑结构，2010，（04）：30-31.

[2]田海明．某重型钢结构厂房设计与分析[J]．工程设计，2011，（05）：28-34.

[3]罗宏．某重型钢结构厂房结构设计 [J]．华南理工大学，2012，（10）：28-34.