某熱鍍鋅車間高跨廠房剛架設計總結與思考

李 顯 峰

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

單層鋼結構廠房廣泛應用于冶金、電力、造船、機械制造等行業，為滿足生產工藝和生產設備的改進更新，越來越多超高單層鋼結構廠房出現。由于與普通單層廠房存在較大差別，給設計人員造成不少設計困擾。現對廣西防城港市某冷軋廠的熱鍍鋅車間高跨廠房剛架設計進行總結，重點討論風荷載的取值與計算，分析結構自振周期對風和地震作用的不同影響，以期為以后類似工程設計提供借鑒。

1 工程概況

本工程所在地抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。特征周期Tg=0.35 s。本廠房結構抗震設防類別為丙類。

本工程所在地屬于典型的海洋性季風氣候，受臺風影響明顯，年平均1.5個，歷年最大臺風17級(登陸時15級)。基本風壓：0.8 kN/m2(距地面10 m處)，地面粗糙度A類。基本雪壓：0 kN/m2。

熱鍍鋅車間高跨廠房剛架為單跨結構，跨度為50.0 m，剛架平均間距為15.0 m，檐口標高為71.670 m。屋面及墻皮均采用單層壓型鋼板封閉。廠房內設雙層吊車，上層吊車軌面標高為65.000 m，下層吊車軌面標高為35.600 m。

2 結構選型

廠房橫向采用剛接框架受力體系，縱向采用由柱、柱間支撐、系桿及吊車梁組成的鉸接排架受力體系。廠房柱采用雙階柱，在吊車梁標高處變階。本工程下柱和中柱采用四肢鋼管混凝土格構式柱，在下層吊車處設置肩梁將下柱分為兩段，上柱采用H型鋼柱，屋面梁采用變截面H型鋼梁。鋼管混凝土構件具有承載力高、塑性和韌性好以及造價經濟合理等優點，能以較小直徑的柱肢取得較大的截面抗彎剛度。格構柱柱肢以受軸壓力為主，充分發揮了鋼管混凝土受壓承載力高的特點，適用于荷載偏心率較大或長細比較大的結構中。

剛架立面如圖1所示。

3 剛架的設計與計算

3.1 風荷載的取值與計算

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范第8.1.1條第1款規定，在計算主要受力結構時，垂直于建筑物表面的風荷載標準值應按下式計算：

wk=βzμsμzw0

(1)

式(1)中風荷載體形系數μs和風壓高度變化系數μz分別由《建筑結構荷載規范》表8.3.1和表8.2.1查得。

由以上工程概況知上式中基本風壓w0=0.8 kN/m2。

對于風振系數βz，《建筑結構荷載規范》8.4.1條正文規定：“對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1>0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順向風振的影響。” 工業廠房一般高寬比不大于1.5，本工程廠房高寬比H/B=(71.67+0.8)/50=1.4，因此，單層工業廠房又不屬于高聳結構。以此來判斷，工業廠房一般不用考慮風振的影響。在進行單層工業廠房設計時，通常均取風振系數βz=1.0。

而本規范8.4.1條的條文說明規定：“……當結構自振周期T≥0.25 s時，以及對于高度超過30 m且高寬比大于1.5的高柔房屋，由風引起的結構振動比較明顯，而且隨著結構自振周期的增長，風振也隨之增強。因此在設計中應考慮風振的影響……”。單層工業廠房自振周期一般都大于0.25 s，并且很多都大于1 s，甚至有的大于2 s,由PKPM計算結果可知，本工程廠房剛架第一振型周期為1.3 s，遠大于0.25 s。由此判斷，風振對單層工業廠房的影響很大，不能忽略。

如何理解規范正文和條文說明的歧義。本質上講，風振影響的大小與結構高度以及高寬比是沒有直接關系的，同樣高度以及高寬比的房屋因為結構剛度的不同(如多層框架結構和單層排架結構)，結構自振周期相差是很大的，甚至是幾倍的關系，風振的影響相差也很大。規范正文中描述的“……高度大于30 m且高寬比大于1.5的房屋……”是個很粗略和寬泛的判斷，應該是在無法知道結構自振周期的情況下基于一般經驗的判斷，并且僅適用于多層框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構以及框架核心筒結構等剛度相對較大而自振周期相對較小的結構。而單層工業廠房雖然高度或高寬比沒有超過規范正文中的判斷條件，但是因為剛度很小，自振周期較長，風振的影響很明顯。所以單層工業廠房并不適合采用規范正文中高度和高寬比的條件來判斷是否計算風振影響。另外，國內外相關研究論文也認為：對于單層工業廠房設計，在計算風荷載時應考慮風振系數。并且基本風壓越大、地面越粗糙、結構自振周期越長(一般來說，結構高寬比越大，跨度越大，構件截面越小，結構就越柔，自振周期也就越長)，風振系數也越大。在以往設計時，一般僅根據廠房高度和高寬比來判斷是否考慮風振的影響，這種處理方法是存在問題的。特別是對于風荷載起控制作用時，結構計算不考慮風振的影響是不安全的。

3.2 剛架截面選擇與計算

廠房剛架下柱和中柱采用四肢鋼管混凝土格構式柱，上柱采用H型鋼，屋面梁采用變截面H型鋼。柱底剛接，屋面梁與上柱剛接。

橫向剛接框架的格構柱應選取合適的肢距，肢距過小，計算得的柱肢截面偏大，且難以滿足水平位移的限制要求，不經濟，不合理；肢距過大，則會占用過多的空間，肩梁部位也浪費，也不合理。實際工程中應根據剛架高度、風壓、地震作用進行多次試算和比較，以此來確定格構柱肢距合理尺寸。

另外，根據計算分析，風荷載水平作用主要由邊柱承受，而地震作用主要根據柱剛度和受荷范圍來分擔。所以，對于兩跨及兩跨以上的廠房，在地震作用較小、風荷載較大的地區，邊柱應盡量采用較大的肢距，中柱可采用較小的肢距；在地震作用較大、風荷載較小的地區中柱肢距應大于邊柱肢距。

本工程為單跨結構，計算結果表明，由風荷載引起的柱內力為地震作用引起的柱內力的20倍，風荷載在剛架內力組合中起絕對控制作用。經過試算比較，最終確定的格構柱肢距較大(5.50 m)，符合上述原則。

剛架計算中，鋼管混凝土格構式柱的整體承載力和單肢承載力均應滿足規范要求。

根據《鋼結構設計標準》B.2.1條，將風荷載作用下的柱頂位移控制在H/400以內。

4 剛架自振周期T對風振和地震作用影響的比較

剛架自振周期T一般在1 s～20 s，風荷載的卓越周期較長，一般在20 s～60 s。剛架自振周期越長，越接近風荷載的卓越周期，風振作用影響越明顯。而地震作用的特征周期Tg一般較短，例如，對于設計中常見的Ⅱ類建筑場地，在設計地震分組為第一組時Tg為0.35 s，第二組時Tg為0.40 s，第三組時Tg為0.45 s。一般來說，地震作用的特征周期Tg小于剛架的自振周期T，根據地震影響系數曲線可知，自振周期越短地震作用越大，反之越小。

在滿足變形要求的前提下，應該根據當地的風壓、抗震烈度的大小采用合理的結構形式進而獲得合理的結構剛度，以減小水平荷載作用。對于本工程來說，風荷載作用較大，地震作用較小，風荷載起控制作用，應盡量增大剛架的剛度，減小剛架的自振周期；而對于風荷載較小，地震作用較大，地震作用起控制作用的地區，應盡量減小剛架的剛度，增大剛架的自振周期。

5 關于剛架柱下層吊車位置節點做法的思考

對于超高單層鋼結構廠房，由于廠房高度很大，在風荷載作用下，柱底彎矩很大，格構柱計算需要的柱底肢距很大。而由格構柱彎矩分布圖可知，彎矩沿高度方向接近三角形分布，柱頂彎矩很小，計算需要的柱頂肢距較小。傳統做法是在下層吊車位置對下柱進行變階，將其分成兩段，采用不同肢距。變階處要設置作為柱轉換節點的肩梁，同時支承吊車梁。經計算，本工程滿足強度和剛度要求的肩梁高度為2.90 m。

在以后的工程設計中，可以嘗試采用肢距沿高度均勻變化的梯形格構柱，在下層吊車位置設置牛腿，支承吊車梁，剛架柱的這種做法既符合彎矩分布特點，又省掉了作為柱轉換節點的肩梁。經計算，本工程滿足強度和剛度要求的牛腿高度僅為1.50 m。

下層吊車位置兩種節點做法見圖2。

經過計算，采用兩種不同做法，節點耗鋼量對比見表1。

表1 兩種節點做法耗鋼量對比表

由表1可知，下層吊車位置節點采用新做法，更為經濟。另外，由圖2可知，采用新做法的節點構造更為簡潔。

值得注意的是，新做法下柱肢距沿高度均勻變化，柱子外形有別于肢距固定的傳統做法，設計過程中應該和工藝專業、甲方及施工單位充分溝通，以免造成不必要的麻煩。

6 結語

對于超高單層鋼結構廠房，風荷載對剛架計算起控制作用。風荷載計算時應考慮風振系數的影響，一般來說，基本風壓越大、地面越粗糙、結構自振周期越長，風振系數也越大。對于剛架的鋼管混凝土格構柱，在下層吊車位置，傳統做法設置肩梁進行變階，耗鋼量很大；采用截面高度均勻變化的梯形格構柱，在下層吊車位置設置牛腿取代肩梁，既符合剛架柱受力特點，又能大大節省鋼材。