淺談單層重鋼廠房結構設計

[摘要] 為控制產品質量，構件工廠生產比例的增加，構件大型化的要求，生產的許多領域需要大跨度、配置大噸位吊車的廠房，基于大量的工程實踐本文總結了重鋼廠房特點，簡單探討了結構設計中針對這些特點的一些處理方法。

[關鍵詞] 單層廠房 重鋼 格構式柱 吊車桁架

一.引言

隨著生產的擴大，產品的尺寸越來越大，重量也越來越大，要求生產廠房有很大的空間以及更大起重量的吊車。所以單層重鋼廠房應用越來越廣泛，特別是在煉鋼、壓力容器、造船、大型裝備制造等領域。

二.結構特點

吊車噸位大，一般設有雙層吊車，結構高度和跨度大。

以下是某廠房的建筑剖面：

三.設計要點

一.體系選擇

吊車荷載大，結構高度大，普通實腹式柱已經不經濟，故一般選擇格構式鋼柱或格構式鋼管混凝土柱。早期有用混凝土格構式柱的，其相對節省鋼材，耐久性較好。但由于生產的進步，對施工進度和精度的要求增加，且現在鋼結構的防腐防火技術的成熟，除了少數特殊場合，混凝土格構式柱已經很少采用。屋面一般采用鋼梁有檁體系、焊接梯形屋架或網架。 網架和梯形屋架適用于屋面管道較多的情況下，因為管道可以布置在網架內部，有效利用網架內部空間，從而抵消廠房高度增加帶來的不利方面。如果是單純的機械加工，則較少采用，因需要從屋面走的管道少，網架內部空間不能得到有效利用，增加了使用維護階段的費用，且施工焊接工作量大，質量較難控制 ，綜合來看不經濟。

二.規范選擇；

1.主要規范有《鋼結構設計規范》《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》《冷彎薄壁型鋼結構技術規范 》。

《鋼結構設計規范》：適用范圍廣，主要計算和構造使用的規范。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》：構造控制比普通鋼結構規范寬松，在附屬構件的計算和構造時有限制地使用；

《冷彎薄壁型鋼結構技術規范 》：附屬檁條等構件計算時可用，總體使用較少，作為上述兩本規范的補充。

三.荷載

恒荷載、活荷載、風荷載、雪荷載的取值與一般建筑無區別，按工程的實際情況取值

需要注意的是雪荷載在高低跨處的積雪分布系數，以及恒載需包括吊車梁自重。

吊車荷載：是此類建筑中的關鍵荷載，由吊車的工程參數確定。根據影響線，計算加到剛架上的最不利荷載。

工藝荷載：需要與業主和工藝專業核實確定。一般來講，由于有吊車，主要的工藝管道都置于吊車梁的下方，故屋面的吊掛荷載不會很大，而下柱會有較大的吊掛荷載。

其他荷載：可能有些小的設備會固定在柱上，需要根據實際情況做適當的的考慮。

四.基礎及柱腳節點

一般柱底彎矩大，是基礎和柱腳的控制因素，相對軸力較小。常用的基礎型式有：

1.獨立基礎：主要應用于地基土很好的情況，要抵抗極大的柱底彎矩，基礎截面一般都很大，相應配筋也較大。

2.樁基礎：可以有效減少基礎的面積，并有利于控制基礎的沉降，但相對于獨立基礎，造價較高。

與基礎一樣，鋼柱柱腳也需要抵抗極大的彎矩。連接的抗彎能力是主要的考慮，常用的柱腳型式有：

（1）.插入式：應用得最普遍的柱腳型式，在留好的混凝土杯口中立鋼柱，調整好鋼柱的各項指標后二次澆筑混凝土。構造簡單，節省鋼材，受力好。但在澆筑混凝土后，鋼柱不能校正，對基礎沉降和施工精度要求很高。

（2）.外包式：鋼柱外側焊栓釘，在基礎上預留插筋，然后鋼柱就位，綁扎外包部分的箍筋，澆筑混凝土。受力明確，當外包部分的縱向鋼筋較大較密時，鋼柱就位有一定的難度。

（3）.外露式：構造簡單，用于鋼柱截面較小，柱底彎矩也較小的部位。具體到重鋼廠房，用于附屬構件柱的柱腳。

五、鋼架

1.柱子：一般下柱采用格構式柱，上柱為了與屋面連接的方便，采用實腹式柱。格構式柱的種類有很多種。如下圖所示：

為了增加剛度和抗壓能力，鋼管柱中可灌以混凝土。此時鋼管的焊接焊縫必須采用對接坡口焊縫，并達到與母材等強的要求。后灌混凝土施工有專門要求，具體參照《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS 28：90）。

2.柱子的節點：柱子是單層重鋼結構中的重點和難點。構件均需要計算，在程序之外需要補充計算的有肩梁節點、現場拼接節點、綴條的連接節點等。其中肩梁按簡支梁模型來計算肩梁高度、腹板和肩梁與柱的焊縫。下圖是一個典型的單臂式肩梁節點

3.屋面梁（屋面桁架）：采用常規做法，除了計算，還需注意局部穩定的構造要求。

4.梁柱連接 梁梁連接 典型的連接方式均可采用，計算方法相同，不再贅述。

六.支撐系統

1.支撐的計算：支撐計算方法同普通的單層鋼結構廠房，構件的長細比要求也相同。

支撐的截面選擇：柱間支撐需要采用型鋼，如角鋼、槽鋼、圓管、熱軋H型鋼等，不宜使用圓鋼。圓鋼的剛度小，在吊車啟動和剎車時容易有可見的振動。屋面支撐可以采用圓鋼和型鋼，但基于跟柱間支撐同樣的原因，仍推薦采用型鋼。需要注意的是，當單根屋面支撐的長度較大時，需要考慮其在重力荷載下的撓度，當計算撓度較大時，可將支撐桿件吊掛在屋面檁條上。

2.柱間支撐：柱間支撐是重要的受力構件。格構式柱一般設置雙片支撐，實腹式柱當高度大于600時，宜設置雙片支撐。兩片支撐用綴條沿縱向連接，這樣就有了較大的剛度，更有利于綴條的受力和穩定。需要注意的是柱間支撐與綜合橋架交叉處一般需要切除部分綴條才能保證橋架的通過。

3.屋面支撐：與一般的輕鋼廠房不同的是，重鋼的單層廠房需要設置縱向支撐來增加屋蓋的整體性和剛度。在《鋼結構設計手冊》中推薦當吊車噸位大于等于20t時一般需要設置縱向支撐。從工程的實際效果來看，與沒有設縱向支撐的對比，結構的整體性好很多，可感受到的振動基本消除。

4.支撐的連接：一般采用安裝螺栓定位后焊接。因常常支撐構件的重量也較大，為了保證施工安全和定位準確，需要增加螺栓數量或者采用大的安裝螺栓。

七.吊車梁系統

一般采用實腹式鋼吊車梁。為減少偏心對柱的影響，除端頭邊跨支座外，端頭應采用突緣式。當跨度很大噸位不大時，也可以采用吊車桁架。

當吊車噸位大于50t時，需要設制動板或制動桁架。中級工作制的吊車梁跨度大于等于18m時，宜設置輔助桁架和下翼緣水平支撐。

1.計算：需要理清吊車荷載和走道板等的荷載、制動板或制動桁架的設置情況，嚴格控制疲勞強度和變形。

制動桁架需要根據吊車荷載及吊車梁計算時的取值計算，輔助桁架需要考慮制動桁架荷載和檢修荷載，下翼緣水平支撐和垂直支撐可按構造設置。制動桁架上需要設置檢修用走道板。

2.連接：連接方式可參照圖集《12m實腹式鋼吊車梁》（05G514-3～4）。

3.上吊車鋼梯：做法可參照圖集《鋼梯》（02J401）（含2003年局部修改版），根據實際情況作調整。注意當鋼梯穿越下層吊車梁標高時，一般需要在下層走道板或制動桁架上開洞需要避開下層的關鍵位置或者對影響到的位置做加強。

八.屋面系統，墻面系統

與普通單層鋼結構廠房一樣處理。需要注意的是計算時應考慮風荷載的高度變化系數。

1.在格構式柱上的墻檁不需要設隅撐。

2.注意陰角處的處理方式。并且需建筑配合將伸到室內的構件包上。

九.其他注意事項

1.施工中要注意加工精度，加大工廠焊接比例，減少現場焊縫，特別是柱上的工地焊縫。

2.構件焊接連接時需要避免焊縫立體交叉和不必要的圍焊及大量焊縫的集中。

3.肩梁和吊車梁系統的焊縫要求較高，最少需要達到二級，位于吊車梁和桁架的下翼緣時須達到一級。

3.須特別注意節點及連接部位的防腐，在肩梁及吊車梁連接部位構件多且關系復雜，操作空間小，防銹漆常常未覆蓋完全，形成隱患。

參考文獻：

鋼結構設計規范（GB50017-2003） 2003 中國計劃出版社

高層民用建筑鋼結構技術規程（JGJ99-98）1998 中國建筑工業出版社

門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（2012年版） （CECS102：2002） 2012 中國計劃出版社

全國民用建筑工程設計技術措施（結構）（鋼結構）2009 中國建筑標準設計研究院

鋼結構設計與計算（第二版）2006 機械工業出版社