多層工業廠房的結構設計探析

王 旭

(太原熱力設計院(有限公司)，山西 太原 030006)

多層工業廠房的結構設計探析

王 旭

(太原熱力設計院(有限公司)，山西 太原 030006)

結合多層工業廠房結構設計的要點，對常用的框架支撐體系、純框架體系、鋼架加支撐混合體系進行了論述，從結構設計和結構計算兩方面著手，探討了結構設計中需注意的問題，以不斷優化結構設計體系。

工業廠房，結構體系，荷載計算

隨著我國經濟的發展，傳統的單一功能、單一結構的工業建筑已經滿足不了現代大工業生產的需求，工業大廈、聯合車間等應運而生。由于建筑用地緊張以及建筑工藝流程等原因，目前許多多層工業廠房存在諸多問題，制約著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，值得引起人們的深入思考與總結。基于這種現狀，本文對多層工業廠房的結構設計進行了詳細探討，以期有助于提高我國多層工業廠房的質量。

1 多層工業廠房的結構設計要點

正是因多層工業廠房自身具有的特殊性，因而往往需要較大的大空間，基本上都采用的是框架結構，而工藝條件如果許可，也可以運用框剪結構。要想有效的減小廠房建筑的空間扭轉作用，在設計時需要使房屋的剛度中心與質量中心最大程度上達到相近。同時為了避免應力集中導致變形和收縮等情況結構體系要求簡捷、規則以及傳力明確。

1.1 控制橫縱方向框架周期

對于多層工業廠房，其十分顯著的特點就在于跨度大且尺寸大，而其中所使用的柱子則比較少，但柱距方面卻完全相反，跨度小、尺寸小，柱子卻相對較多。對于此類狀況，大多需要遵循橫向控制的基本原則，以此使橫向與縱向的抗震能力能夠保持大體相似，不僅能夠實現多層工業廠房的抗震功能，還能最大化的節約成本，設計更加體現經濟性。

1.2 合理布置電梯位置

多層工業廠房常常需要運輸一些質量較重的貨物和設備，所以在多層工業廠房中需要設置電梯以減小工作量以及降低工作難度，而電梯位置布置的是否合理是多層工業廠房結構設計的關鍵因素。由于鋼筋混凝土電梯井筒的剛度很大，在運作時可能對建筑物的偏心產生影響，所以在布置電梯時盡量避開建筑物的角落與端部地區。如果條件不允許或無法避免的情況下，要求隨電梯周邊的樓板以及周圍的框架，采用有針對性的強化措施，由此為電梯的運行提供保障。

1.3 地震區不宜構建多層廠房

我們都知道，地震多發區的房屋伸縮縫基本上是合一的，建筑物若存在時間很長，這時往往就需要采取措施，盡可能少的對伸縮縫和防震縫予以設置，例如提高配筋率、加厚屋面隔熱保溫層及后澆帶的位置設在結構受力影響最小的區段等。

2 常用的結構體系

2.1 框架支撐體系

這種結構體系主要是采用柱間支撐代替水平荷載的方式，多層工業廠房的橫向剛性較大，而縱向成柱支撐體系(見圖1)。這種結構體系成本較低，有較大的經濟性，而柱間支撐非常容易受到不同程度的影響，因而在橫向短且縱向長的多層工業廠房中比較適用。

2.2 純框架體系

純框架體系的設計要點是橫縱兩個方向均不設置柱間支撐，取而代之的是剛接框架。這種設計體系與框架支撐體系相比最大的優勢在于使用空間不受限制，但不宜采用工字形柱，而是采用兩個方向慣性相差不大的截面形式。另一方面，該結構體系使用鋼量大大增加，致使建筑物建設的成本顯著增多。

2.3 鋼架加支撐混合體系

和第一種結構體系比較可知，鋼架加支撐的混合體系的不同之處就在于把縱向設計為鋼架、支撐混合形式，依靠的是鋼架、支撐的共同力量，以此將柱的縱向變形予以減少。然而，這一結構體系對樓面的剛度有著較高的要求，否則非但無法達到設計的要求，還會使柱出現變形的情況(見圖2)。

3 結構設計中需注意的幾點問題

3.1 結構設計和工藝設計間的協調

從總體上來看，多層工業廠房設計的最終目的是為了服務于生產活動，廠房設計應當滿足工藝要求，這樣才能實現結構設計的效益最大化。而在實際結構設計與工藝設計中常常出現諸多矛盾，例如需要開洞的是框架梁，而在設計時卻將應當沿梁布置的設備放在了跨中，荷載方面也經常出現不合理的情況。針對這個問題，工藝設計人員與結構設計人員應該充分溝通，結構設計人員應當充分了解工藝布置和工藝要求，工藝設計人員也應該尊重結構設計人員的基本要求，使設計更加合理化，給工藝設計人員與結構設計人員減少不必要的麻煩。

3.2 結構計算

現代社會科學技術的高速發展推動了人類社會的進步，計算機硬件的發展大大減少了結構計算量，繼而可以使結構工程師真正的從繁瑣的計算中得到解脫，使其有充沛的精力及充足的時間置身于結構方案的選擇及設計中，促使結構設計質量水平得以提升，工程成本得以減少。從整體上來看，計算機結構計算需完成以下工作：

1)樓面等荷載的計算。可以說，在整個結構設計中，荷載計算是其中的基礎及關鍵所在，荷載取值范圍準確與否，對計算結果的準確性起著決定性作用。諸如，根據工程工藝所提出的設備質量、樓面均布荷載、設備布置圖，來將樓面均布荷載計算出來；因多層工業廠房的特殊用途，它和多層民用建筑在結構形式以及樓面活荷載等多個方面均有非常多的不同之處，工業廠房樓面活荷載要求要比多層民用建筑更加的嚴格。而對于中小型的機床上樓層、梁上，甚至還涉及到吊車荷載，其主要原因是整個平面內幾乎沒有內隔墻，所以跨度柱網與層數相對民用建筑來說要高一些。另一方面，多層工業廠房的房梁多采用現澆鋼筋混凝土結構，這種結構與民用建筑相比相對較厚，使整個平面呈現無限大的狀態。電梯間使用的大多是框架填充墻結構，如果將電梯設置在端頭的話就會顯得這種結構設計不合理，所以需要計算出樓面的均荷載；

2)節點核心區的抗剪驗算。在框架節點設計時，應當切實遵循“強柱弱梁更強節點”進行，如果是一級抗震等級、二級抗震等級的節點，在此基礎上要應當計算出受剪承載力。對于多層工業廠房的中心線，切勿有重合問題，如果有重合問題出現，再加上柱的截面大、節點偏心大，因而對節點核心區的構造及其受力均會帶來負面影響。鑒于此，節點核心區抗剪驗算尤為重要；

3)裂縫寬度以及罕遇地震驗算。在實際的多層工業廠房結構設計當中，裂縫寬度驗算是其中不容忽視的一大步驟。在原則方面，混凝土梁的裂縫寬度不允許超出0.3 mm，而在驗算時如果具體結果明顯要高于規定要求，則需要借助于鋼筋截面的減少以及鋼筋根數的增多來將這一問題解決。若采取措施后，所得的驗算結果依舊無法在規定的要求之內，那么就應當對柱梁截面加以重新修改。我國相關標準規定，房屋建造物的抗震設計需要嚴格遵守的原則為“小震不壞，中震可修，大震不倒”。多層工業廠房結構設計時的抗震驗算僅僅只能滿足小震不壞這一要求，要想實現中震可修需要加強構造，而要想真正實現大震不倒則需要進行罕遇地震的驗算。規定7度～9度時樓層屈服強度系數小于0.5的框架結構要進行罕遇地震的驗算，而且明確指出結構薄弱層間的彈塑性位移角要比1/50小。通常，多層工業廠房設備方面的投資力度要比規定要求大很多，對此，需要進行罕遇地震的驗算工作；

4)電梯井筒相連框架。在以往的電梯計算過程當中，大多是根據純框架來計算，電梯井壁根據構架配筋予以計算，這一計算形式通常安全系數低，因而需要按照壁式框架把框架部分計算得出的數值進行配筋，電梯井壁則需要根據剪力墻配筋。與此同時，多層工業廠房均設置有多臺吊車，為了操作便利和防控一些意外事故，應將一臺吊車作為吊車數據輸入，其他吊車則作為活荷載考慮。

4 結語

盡管我國目前多層工業廠房設計結構中存在著許多問題，但也并不是沒有避免和改進的可能。對此，可以根據實際情況選擇最科學合理的結構體系并進行準確的結構計算，對選擇的結構體系予以不斷優化，以達到最佳的設計。通過各種手段設計出符合要求的多層工業廠房結構，提高我國多層工業廠房的質量。

[1] 王友鵬,孔靜雅.試述工業廠房的結構設計及常用體系.黑龍江科技信息,2012(18):288.

[2] 劉 蕓.多層工業廠房結構設計問題的若干探析.中華民居(下旬刊),2012(10):38-39.

[3] 許建昆.有關多層鋼結構工業廠房設計的分析與探討.科技創新與應用,2015(12):236.

Inquiry on structural design of multi-layer industrial workshop

Wang Xu

(TaiyuanThermalDesignInstitute(Co.,Ltd),Taiyuan030006,China)

Combining with structural design points of multi-layer industrial workshop, the paper discusses common frame support system, pure frame system and steel erection adding supporting composite system adopted in industrial workshop design, and explores matters needing attention in structural design from two aspects of coordination and structural calculation of structural design and technological design, with a view to continuously optimize structural design system.

industrial workshop, structural system, load calculation

2015-09-14

王 旭(1963- )，男，工程師

1009-6825(2015)33-0048-03

TU318

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