鋼結構廠房的設計與分析

王天燕

沈陽機電研究設計院，遼寧沈陽 110006

0 引言

近年來，隨著我國綜合國力的增強，工業廠房設計正向著大跨度、大柱距和大噸位吊車的重型復雜工業廠房發展。本文結合近幾年我院設計的沈陽北方重工(集團)有限責任公司冷加工及熱加工整體搬遷改造項目生產廠房、沃得重工（沈陽）有限公司年產萬臺高性能壓力機械生產線建設項目生產廠房為案例。談談對鋼結構廠房設計中需注意的地方和簡要分析。

1 鋼結構廠房的特點

1.1 從建筑上講，要求構成較大的空間

鋼結構廠房是冶金、機械等車間的主要型式之一。為了滿足在車間中放置尺寸大、較重型的設備生產重型產品，要求廠房適應不同類型生產的需要，構成較大的空間。

1.2 從結構上講，要求廠房的結構構件要有足夠的承載能力

由于產品較重且外形尺寸較大。因此作用在鋼結構廠房結構上的荷載、廠房的跨度和高度都往往比較大，并且常受到來自吊車、動力機械設備的荷載的作用，要求廠房的結構構件要有足夠的承載能力。

2 結構體系的選擇

重型廠房的設計多采用普通鋼結構格構式柱和實腹式屋面梁體系，屋面和墻面均采用彩鋼板；這種結構的自重輕，強度高，抗震性能好，施工速度快。在滿足工藝布置要求的前提下，應根據計算比較選擇合適的柱距；

3 荷載的合理取值

荷載取值應按照《建筑結構荷載規范》確定。一般情況下，屋面恒載應按照實際情況計算取值，屋面活荷載、風荷載、雪荷載和積灰荷載等按規范，其它附加荷載應按實際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計算時應取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應考慮積灰荷載。廠房屋面的通風器由于其高度和寬度都較大，計算時應按照實際情況轉化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應考試積雪的堆積影響，防止由此產生的屋面結構的破壞。同樣局部風荷載的增大也會使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。

對于柱距較大的多層吊車多跨廠房，計算吊車豎向荷載時，應按實際情況以及荷載的作用效應，合理確定不同工況、不同效應下參與組合的吊車臺數，不能完全按照荷載規范，也不能一味取大。

4 構件的整體穩定及局部穩定

通過對鋼結構失穩破壞原因分析發現，鋼結構中出現過的失穩事故往往都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定性能不夠清楚，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成結構設計中產生不應有的薄弱環節。

對于平面彎曲的鋼梁，由于鋼梁整體失穩的主要原因是在彎曲壓應力作用下，受壓翼緣發生側向失穩所致，因此，可以把軸心受壓構件整體穩定性的概念運用到鋼梁受壓翼緣在彎矩作用平面外的穩定性上。即通過設置側向支撐以減小梁受壓翼緣的側向自由長度或加大受壓翼緣的寬度以減小側向的回轉半徑。

一般在鋼梁截面設計中，考慮強度時，腹板宜既高又薄；考慮整體穩定時，翼緣宜既寬又薄。在荷載作用下。若板件寬厚比太大，受壓翼緣和腹板有可能發生波形屈曲，稱為梁的局部失穩。梁喪失局部穩定后，梁的部分區域退出工作，將使梁的有效截面面積好剛度減小，強度承載力和整體穩定性降低。因此，必須限制梁的寬厚比，對于中大跨度梁的腹板，可從失穩現象（出現凸凹屈曲）入手，采取布置腹板加勁肋防止其凸凹變形的措施，以解決局部穩定問題。

而對于壓彎構件即與梁剛接的鋼柱，防止其整體失穩的措施就是加強構件的側向支撐，增大構件的抗彎及抗扭剛度。壓彎構件的局部失穩措施與平面彎曲的鋼梁相似。

5 板件的寬厚比

《建筑抗震設計規范》中，限制截面板件寬厚比計算的目的，是期望截面應力進入非彈性范圍后，有抵抗局部屈曲的能力，使塑性鉸區域有一定的轉動能力，從而保證在地震反復作用下結構具有足夠的延性，通過塑性變形耗散輸入的地震能量。

對于7度及以上抗震設防的鋼結構廠房，通常使用“強柱弱梁”的原則，即梁先于柱出現塑性鉸，而且要求塑性有一定的轉動能力，所以此時對梁的塑性區段板件的局部穩定要求比較嚴格，通常不允許發生局部失穩，而且也要求控制彈塑性局部屈曲的發生。

對于剛架柱而言，一般不會出現塑性鉸，但是考慮到材料的變異性和尺寸偏差及大震下的塑性內力重分布，柱子也有可能出現塑性鉸。因此也需要按照考慮塑性發展來對板件寬厚比進行控制。不過即使柱子出現塑性鉸，也不會有過大的轉動，因此對柱子的局部穩定限制不如梁嚴格。

當梁腹板寬厚比不滿足時，按照《鋼結構設計規范》可加橫向及縱向加勁肋或利用腹板屈曲后強度進行計算；柱腹板寬厚比不滿足時，可利用縱向加勁肋或考慮有效截面進行計算。但是《建筑抗震設計規范》規定對于單層鋼結構廠房只能通過加縱向加勁肋進行計算，而且寬厚比控制很嚴，往往其它方面都滿足，就寬厚比不滿足，加厚腹板就失去經濟性，此時使用Q345鋼，雖單價高于Q235鋼，但強度高，較經濟。

6 柱間支撐

廠房的縱向剛度主要由鋼柱、柱間支撐和其它縱向構件來保證。

從歷次地震中所發生的單層鋼結構廠房的實際震害來看，廠房柱間支撐結構的震害主要表現為：上下柱斜撐的平面內屈曲，下柱支撐與柱連接節點的破壞和桿件拼接處的斷裂。柱間支撐作為廠房縱向的主要抗震構件，其設計尤為重要，應進行嚴格的計算和采用合理的節點構造。

7 柱腳設計

鋼結構的柱腳主要有以下幾種：外露式剛接柱腳、插入式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳等。一般情況下，工業廠房設計通常采用外露式剛接柱腳和插入式柱腳。

外露式鋼柱柱腳支座連接破壞特征是柱腳底座的錨固螺栓剪斷或拉壞，甚至拔出。柱腳連接的破壞使鋼柱失去穩定，導致廠房因柱傾斜而倒塌。插入式柱腳的破壞均發生在基礎杯口內側面與二次澆灌層之間，而鋼柱與二次澆灌層的黏結面不論鋼柱底部有無底板，均未見破壞。外露式柱腳在輕鋼結構廠房和6度、7度時可采用，其它情況應采取保證能傳遞柱身承載力的插入式柱腳。

8 其它

對于寒冷地區，設計中還應重視鋼結構可能發生脆斷。鋼材不宜太厚，結構形式和加工工藝的選擇上，應盡量減少結構的應力集中和焊接殘余應力，以提高結構的抗脆斷能力。

[1]GB50011-2010 建筑抗震設計規范.

[2]GB50009-2001 建筑結構荷載規范，2006.

[3]GB50017-2003 鋼結構設計規范.

[4]《鋼結構設計手冊》（上、下冊）.3版.

[5]周奮生.建筑與結構設計.鋼結構廠房設計中應注意的幾個問題，2010，11.