某重型鋼結構廠房結構設計剖析

張航

摘要：目前我國經濟處于一個快速發展的時代，各個行業發展都很迅速，重型鋼結構廠房在各個領域中的應用也是日新月異。本文以一個100t橋式吊車重型鋼結構廠房為例，著重介紹了重型鋼結構廠房的結構、典型節點的設計等方面。例子中的重型剛接過廠房主結構為格構柱加變截面鋼梁的設計方法，圍護結構則采用了復合保溫板，就是指金屬波紋外板加玻璃絲保溫棉再加金屬波紋內板的方式。

關鍵詞：工業廠房；重型剛結構；結構分析

前言

近些年來，隨著我國鋼結構產業的飛速迅猛發展，鋼結構廠房廣泛運用于我國的很多的行業領域，氣質重型鋼結構廠房在冶金行業中應用最多。鋼結構的廠房有很多種特點，比如自重輕、工廠化程度高、建造時間段、工作強度小、環保、抗震性良好等等特點，相比于鋼筋混凝土結構來說，具有高、大、輕三方面的獨特優勢。隨著鋼結構廠房設計技術發展的愈來愈成熟，設計軟件也變的越來越先進化、人性化，相信在不就的將來，鋼結構廠房在各個領域的應用會越來越廣泛，發展前景一片大好。

1 工程概況

某重型鋼結構廠房總長度為102m，總寬度為41m，建筑總面積為4218m²。該廠房為高低兩連跨，跨度分別是21m與18m，最大高度為19.5m，高跨安裝一臺100t與一臺32t雙梁橋式起重機，低跨安裝一臺32t雙梁橋式起重機。該鋼結構采用格構柱加變截面H型鋼梁，冷彎薄壁c型鋼用于墻面與屋面次結構；在圍護結構中采用復合型保溫板，即金屬波紋外板、玻璃絲保溫棉與金屬波紋內板同時采用。下圖為該廠房剖面圖：

此鋼結構廠房的主體結構的用鋼量約為295t，吊車梁制動結構的用鋼量約為99.8t，此結構用鋼量為101.6t，基礎錨栓用鋼量為9.5t，廠房主體結構用鋼總量為505.9t，平均用鋼量為119.9kg/m²。

2 廠房的結構設計與分析

2.1 結構設計

此鋼結構廠房的高跨部分采用的是雙指格構柱，低跨部分則采用H型階梯柱，梁采用變截面H型鋼梁與柱剛接。在一般的重型鋼結構的廠房建造中，通常采用框排架的結構，就是指利用提醒或者三角形的鋼屋架，鋼屋架與鋼柱鉸接。但是這個廠房建造中采用的是輕型門式鋼架中的楔形梁單元，這種結構具有制作簡單、安裝方便且經濟適用的特點。

在重型鋼結構的建造中，設計的關鍵點在于控制結構的穩定性。在本工程中，柱間支撐與屋面水平支撐都是采用剛性支撐去加強整個結構的穩定性；在主鋼架計算中嚴格控制吊車梁節點處于檐口處的水平位移，都控制在1/1250的范圍內。在工程中采用的是楔形梁單元，在《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》中對計算方法有著明確的規定，但是在《鋼結構設計規范》中又將其等效成等截面H型單元去計算，為了保證本工程中的結構構造安全的目的，主鋼架的計算方式使用以上兩個標準進行共同計算。在工程施工中，鋼柱與鋼梁結構都采用《鋼結構設計規范》中的計算方式來計算，然后進行調整，直到達到設計要求；之后鋼柱利用《鋼結構設計規范》、鋼梁則采用《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》中的方法進行計算，計算完成之后進行再次調整，直至符合工程要求。

2.2 結構分析

吊車的重量普遍很大，在廠房建造完成之后使用中，容易導致廠房發生振動，所以鋼結構廠房的穩定性是設計中的重中之重。屋面支撐利用角鋼，而且一般情況下屋蓋支撐的方向都是縱向支撐，和橫向支撐共同形成封閉體系，使得廠房的整體剛度得到有效提升；廠房在屋檐、屋脊、轉折處與相應位置通常設置剛醒系桿，屋面支撐、系桿的布置平面如下圖：

在結構設計依據方面，根據國家的有關規定，此鋼結構廠房的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震分組為第一組；建筑場地類別為II類。主要設計荷載為：

屋面活荷載：0.35KN/m²；

屋面恒荷載：0.35KN/m²（屋面采用輕型彩鋼板）；

風荷載為O.50KN/m²（按照五十年一遇設計）；

主結構所用到的鋼柱鋼梁選取Q235-B鋼；吊車梁選取Q345-B鋼；

本工程按照《鋼結構設計規范》的規范進行設計，利用中國建筑科學研究院的PKPM結構計算系列軟件中的STPJ剛結構重型工業廠房設計軟件進行建模、內力計算與分析，還采用了上海同濟大學的3D3S鋼結構設計軟件進行核對。柱梁應力比控制在0.8～0.9，主要節點吊車水平荷載位移和地震位移如下圖，圖中上面數據為吊車水平荷載位移，下面數據為地震位移，其結構變形滿足相關規范值要求。

3 柱腳設計

柱腳按剛接設計，采取分離式中型靴梁柱腳與平板式柱腳。首先要根據基礎混凝土的抗壓強度與柱承受的軸力來確定柱底板的面積。在這個設計中設置了靴梁與腹板加勁肋隔板，可以在很大程度上減少底板的厚度，底板塑性發展系數取1.2；在了解基礎面積的時候，局部承壓系數按照B，柱腳底板的水平反力應由底板與基礎混凝土之間的摩擦力傳遞，摩擦系數取0.4。在本設計中，水平反力大于摩擦力，在柱底板下部焊接抗剪鍵進行加強。

4 屋面與墻面設計

屋面與墻面檁條采用Q235-A鋼，規格是C180×70×20×3，按其僅承受恒、活、風載進行計算。檁條按照1.5m間距進行布置，并且在相鄰的檁條之間布置雙列拉條或者撐桿，從而大大加強相鄰鋼架間的屋面或墻面的整體剛度與強度。屋面與墻面都采用復合板構成的輕質材料，就是外板加保溫棉加內板的構造，內外板都是鍍鋅壓型鋼板，質量僅為24kg/m2。這種復合板輕質材料具備接杯、裝飾與防水三方面的作用，而且圍護簡單，它的圍護費用是遠遠的低于傳統圍護材料的。

5 施工中需要注意的方面

在相關規定中，規定了吊車節點處的水平位移不大于1/400，而該工程設計的吊車節點位移與柱頂位移均控制在1/1250的范圍內，且實測位移比計算出的位移還要小。在鋼結構廠房的建筑與設計中我們還應注意以下幾點問題：在工程設計中應當綜合考慮結構受力與鋼結構制作安裝的便利性，在用鋼量相似的情況下應當首先選擇結構簡單；容易制作的截面形式；在設計重型鋼結構廠房的過程中，應當把廠房的穩定性放在第一位。應當注重整體結構的穩定性控制以及位移控制；在設計鋼結構是應當嚴格遵照相關的制度規范，不得隨意降低設計指標；設計重型鋼結構廠房時應當首選大柱距（9m或者12m），這樣可以減少用鋼量，節省工程項目成本；在局部加載使用的性能體驗當中，每級加載應保持足夠的持荷時間，是彈性變形得到充分的發展，通過對各種因素的綜合考慮，對此類結構每級加載持荷時間不少于三十分鐘，最大荷載持荷時間不少于一小時，卸載的持荷時間和加載的持荷時間應該采用一樣的時間點，用來保證殘余變形量的準確性；最后，筒體之間鋼連梁的受力情況相對復雜，施工技術人員需做好這方面的工作，對受力情況進行透徹的分析，是整個工程質量安全的關鍵工作，連接節點的設計也是非常重要的，需要進行有限元應力分析，滿足性能化的設計要求，在大跨度鋼梁以及壓型鋼板混凝土組合樓蓋也需要滿足舒適度的這一設計要求。

6 結語

重型鋼結構與混凝土結構進行比較，我們不難看出，重型鋼結構具有自身重量輕、施工時間短、性能較好、環保、工廠化程度高、勞動強度小等等很多優點，隨著我國鋼結構建筑技術的迅速發展，因為重型鋼結構的這些優點，重型鋼結構廠房將會在各個領域得到更加廣泛的應用，為我國工業建設的快速發展貢獻一份力。