关于重型钢构厂房的结构设计与案例分析

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　　某工业厂房的总建筑面积为2.3万平方米，长为320米，宽为72米，抗震设防烈度是7度。厂房内主钢架是三跨24米的钢结构框架，其柱间距是6米，屋面压型彩钢板的重量也合适，厂房的墙体是砌体墙，外面涂刷涂料。厂房的两侧边跨进行两台16t吊车的设置，中间跨的一端进行125t吊车的设置，另外是进行两台63t吊车的设置，中间位置进行两层吊车的设置，上层是为125t吊车走行，下层是供63t吊车走行。

　　2、重型钢结构的工业厂房设计

　　2.1 结构类型及其受力特点

　　对重型钢结构厂房进行设计的过程中，需要整体考虑结构刚度及稳定可靠性，这一点对于实现功能要求及安全性具有非常重要的作用。本工程设计理念是利用钢结构框架及其支撑系统，确保厂房重型钢结构横向及纵向的一个整体刚度及稳定性。钢结构框架的边列柱及中列柱的形式，分别是实腹工字型柱和格构柱，利用高强螺栓及插入式柱脚等部件，从而实现变截面楔形屋面梁及钢柱和钢柱与基础之间的刚性连接。对钢构件进行多次组合，可以使之形成次超静定结构，确保厂房结构的刚度及横向方面的稳定可靠性符合设计要求。具体而言，支撑系统分为两个方面，分别是屋面水平支撑和柱间支撑，与工业厂房的纵向及横向角钢水平支撑共同形成一个封闭的系统体系，使得各个结构单元之间协同作业，并且促进厂房整体刚度的提升。柱间进行型钢支撑的设置，和屋面水平支撑结合在一起形成空间稳定体系，确保钢结构的纵向刚度及稳定可靠性符合设计要求。

　　2.2 结构设计特点

　　2.2.1布置力案

　　上文中提到，本工程工业厂房在一些区域进行双层吊车的设置，其上层是125t吊车，下层是63t的吊车。如果这种情况下选择二阶格构钢柱的形式，则钢柱的下层肩梁一方面需要承担来自上部的恒载、活载以及风荷载，另一方面还要承担来自于上层125t吊车动荷载产生的作用力。其中，肩梁处产生的受力情况非常复杂，比较容易产生疲劳破坏的现象，所以必须针对此处钢柱及肩梁的传力途径进行简化。

　　对此处钢柱复杂的受力情况进行综合考虑后，决定选择格构柱和分离柱进行结合，两者相互结合形成一种新的布置方案。其中，格构柱肢负责屋面荷载、风荷载以及由上下部吊车走行引发的动荷载，由格构柱和分离柱分别负责吊车竖向荷载。分离柱肢和格构柱二者是由水平工字柱进行连接的，通过格构柱肢上的水平连接件及分离柱肢间产生的纵向交叉支撑，从而使得分离柱肢起到稳定框架平面的重要作用。因为吊车梁选择的是突缘式支座。能够根据轴心受压构件对分离柱肢结构进行计算和分析，经过复杂的数据计算和分析，得出框架平面内外的分离柱计算长度是水平连接件间距和分离柱肢高度的0.7倍。

　　2.2.2 变截面屋面梁

　　工程在进行厂房结构设计时，选择楔形屋面梁的形式，但是因为压型彩钢屋面的荷载不大，而且跨度特别小，因此选择楔形实腹梁。具体的外形和屋面梁内力包络图是一致的，厂房钢结构受力更加合理。这种变截面屋面梁的设计方案和常规钢屋架、网架的结构相比较，单位面积用钢量大体上是相等的，然而其外形更加简洁明快，加工制造起来比较简便，具有一定的经济性。具体而言，变截面屋面梁的设计注意事项包括以下几个方面：（1）结构计算，因为屋面梁是存在一定坡度的变截面梁，既要承担弯矩，又要承担轴力，因此设计时要综合考虑轴力产生的不利因素。然而，现行的相关设计规范中没有给出具体的楔形梁计算公式，所以需要参考其他钢结构设计规范进行复核。（2）需要重视的是，结构工程造价和抗震性能以及二者之间的关系。重型工业厂房进行抗震方面的设计是非常有必要的，抗震设计中对板件宽厚比进行选择是确保其延展性的重要数据，会对结构用钢量产生重要影响。按照设计规范要求，结构设计中应尽可能选择纵向加劲肋的方案，尽可能地减少梁柱相交节点周边塑性耗能区域构件腹板宽厚比，从而达到塑性区域抗震性能及要求，尽可能防止出现简单增大腹板厚度而产生的资源浪费。塑性耗能区域之外的梁，可以根据现行的设计规范与弹性环节板件宽厚比限制进行管理和控制。（3）钢结构构件和混凝土构件相比而言更加单薄，尤其需要重视钢结构设计中的构件侧向的稳定问题，因此可以选择在梁柱翼缘进行角钢隅撑等构造对策的设置，确保钢梁柱结构的侧向稳定性。角钢隅撑实际上一端是和屋面梁下翼缘进行连接，另外和檩条进行连接，最终连接成三角形稳定结构。除此之外，因为梁柱交接点周边梁柱翼缘内力非常大，因此要着重加密此次隅撑，避免出现梁柱翼缘侧向失稳的现象。

　　2.2.3 防扭支撑

　　工业厂房重型钢结构中，起到吊车荷载作用的是肩梁和支撑牛腿。吊车梁产生的纵向水平力大部分都传给支撑牛腿，支撑牛腿周边钢柱会受到影响而扭曲，因为钢柱平面外刚度相对来说比较小，纵向水平力对于钢柱结构的整体受力情况来说处于不利的地位，常规对策是增大钢柱截面，以此促进抗扭能力的增强。本工程进行设计过程中，在下柱撑和牛腿等处进行支撑梁的设置，通过隅撑的设置把牛腿和支撑梁连接起来，确保吊车梁产生的纵向水平力向柱间支撑传递，这样钢柱就可以避免受扭。和常规对策相比而言，防扭支撑的传递方法比较简单，构件受力情况比较明确，用钢量也处于一个合理的范围内。

　　3、重型钢结构厂房的节点设计

　　重型钢结构厂房的内部存在各种各样的构件，而且构件的种类非常多，构件之间的连接节点形式也非常复杂。节点设计是工业厂房钢结构设计的重要内容，一方面要达到承载力整体要求，另一方面节点构造设计还要和结构计算时选择的计算假定确保一致，刚架柱的柱脚节点根据刚接进行设计，柱脚形式选择插入式柱脚。刚架柱的柱底轴力从柱脚的底板向结构基础传递，柱底的弯矩和剪力从柱脚H型钢分肢的翼缘处，以及混凝土基础承压力进行传递。除此之外，需要单独在基础顶面留设杯口，在钢架柱安装之后，立刻用高标号的细石混凝土进行二次浇灌。

　　总而言之，在设计过程中，要着重按照重型钢结构厂房的结构体系比较复杂等特点，在确保工艺要求可以满足的基础上尽可能地对设计方案进行优化，对柱网尺寸、结构形式以及构件截面尺寸等进行合理确定，而且还要符合结构安全及经济适用等原则。