格構柱單層工業廠房結構設計研究

文/ 邱中勝 煙臺德和冶金設計研究有限公司 山東煙臺 264002

對于格構柱單層工業廠房結構設計，我們要進一步思考格構柱單層工業廠房結構設計的目標，從而制定可行的方法，確保格構柱單層工業廠房結構設計的質量。

1、鋼結構廠房結構體系

所謂的重型單層廠房是指在車間廠房內設有重型吊車設備，相對于輕型、中型鋼結構廠房來說，不僅在其承載能力上要求更高，廠房空間大，而且廠房高度相對較高，對于施工質量的要求更加嚴格。

一般單層鋼結構廠房采用框架支撐體系，即橫向設計成剛接框架，縱向設計成柱間支撐體系，這種體系經濟節約，但柱間支撐可能會影響使用功能。這種形式特別適用于縱向較長，橫向較短的單層工業廠房。

鋼結構廠房與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應遵守強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件的抗震設計基本原則。

1.1 強柱弱粱

指在粱柱連接節點處柱端實際受彎承載力要大于梁端實際受彎承載力。一般采用增大柱端彎矩的做法。也就是使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求，用以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。“強柱弱梁”不僅是手段，也是目的，其手段表現在人們認為對柱的設計彎矩放大，對梁不放大。其目的表現在調整后，柱的抗彎能力比之前強了，而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣梁柱一起受力時，梁端可以先于柱屈服。

1.2 強剪弱彎

指避免構件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達到塑性變形能力極限之前發生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發生。也就是說結構（框架梁、柱）的抗剪承載力要大于抗彎承載力，目的是控制構件發生彎曲破壞，而不是剪切破壞，避免脆性破壞，充分發揮塑性鉸的能力。

1.3 強節點弱構件

以下為在設計中加強節點的措施：（1）構造保證。①增加連接強度，如增加焊縫厚度和螺栓大小。②梁端加腋或加隅撐。③加厚梁柱節點域的腹板厚度或增設水平和斜向加勁肋。（2）計算保證。①按抗震彈性設計：計算中考慮抗震承載力調整系數為0.85，初步確定焊縫尺寸或螺栓數量、間距、直徑。②按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數量、間距、直徑驗算連接的抗震極限受彎、受拉和拼接承載力是否大于其構件的屈服承載力，并留有一定的余量。

2、空腹鋼桂單層工業廠房結構設計的相關問題

2.1 單層廠房結構

單層廠房結構組成主要包括橫向排架、縱向聯系構件、支撐系統及外圍護結構等。格構柱是橫向排架中的重要構件，主要承受軸力和彎矩，常見形式有方形、圓形等。某單層工業廠房為鋼結構，凈高23m，跨度50m，柱距10m，總長為160m。抗震設防類別為乙類。

2.2 腹柱構件選取

目前，單層鋼結構工業廠房柱構件主要有實腹柱、斜腹桿格柱、格構柱等幾種形式。實腹柱適用于中小跨度的單層工業廠房.但是本工業廠房的跨度較大，且廠房凈高大，不易采用實腹柱。如果采用實腹柱，只能將人行走道、風管等布置在柱外側。根據本工業廠房設計要求，風管必須布置在柱內，所以不能使用實腹柱，斜腹桿格柱同樣不能滿足設計要求。基于以上幾個方面的考慮，本單層工業廠房使用格構柱形式的排架柱，在柱內布置風管，可以靈活布置人行走道，方便人員行走，同時也可以滿足本廠房抗震設防方面的要求，提高廠房的抗震性。

本單層鋼結構工業廠房的縱向長度比較大，為保證平面支撐結構的可靠性，在1／3處設置2道下柱支撐，在下柱支撐和廠房端部設置4道上柱支撐，其中下柱支撐采用H型鋼。格構柱設計使用年限為50年，安全等級一級，結構重要性系數選取1.1。

2.3 承載力試驗

目前雖然格構柱在單層鋼結構工業廠房建筑結構設計中比較推崇，但是它的應用剛剛起步，現行設計規范中沒有涉及構造等方面要求，所以需要利用有限元計算方法進行承載力試驗，確保格構柱在單層工業廠房結構應用中的可靠性。首先，按照1：4比例制作單層工業廠房和格構柱等構件模型，然后按照各種荷載工況進行相關的有限元計算，驗證格構柱的承載力。

2.4 鋼柱承載力有限元計算

對于一個結構構件，在實際使用中可能遇到的荷載工況是多種多樣的，如何量化評價需要綜合考慮各種因素。在實際工程中，豎向荷載和水平荷載同時出現超載的可能性極小，故選擇了以下3種荷載工況，采用ANSYS程序進行了鋼柱極限承載力計算，以了解格構柱的承載力及抗震性能。

鋼材為Q345B，采用理想的彈塑性模型，屈服強度345N/mm2，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105N/mm2，服從Mises屈服準則，不計殘余應力，同時考慮幾何非線性與材料非線性，單元采用Shell181矩形單元，映射劃分。

結語：

綜上所述，格構柱單層工業廠房結構設計一定要采取更好的方式方法，明確設計的具體的措施，才能夠保證格構柱單層工業廠房結構設計的可行性和質量。