鋼結構在某重型工業廠房中的實際應用

張小云，趙昆

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

鋼結構相比鋼筋混凝土結構具有不可替代的特點，如材料強度高、質量輕、材質均勻、工程造價低、施工工期短和可工廠化加工制造等，使得鋼結構在超高建筑結構、工業廠房結構、大跨度結構、組合結構、橋梁結構中得到了大量應用。

本文針對某智能制造類重鋼廠房設計過程時遇到的技術難點及解決方案進行闡述及分析，希望能為類似工程提供新的建議和思路。

2 工程概況

本項目建設地點位于江蘇省揚州市，廠房為單層鋼結構廠房。建筑面積為21 945.86 m2，建筑高度20.80 m。為單層戊類廠房，由齒件精加工區、殼體精加工區、裝配區、試車區組成，廠房跨度為27 m+27 m+27 m+30 m，柱距9 m、12 m不等，內有行車數十臺，行車為中級工作制，最大噸位160 t，最高軌高為12 m。

結構的設計工作年限為50 a，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度（0.15 g），設計地震分組為第三組[1]，場地類別為Ⅲ類。基本風壓0.4 kN/m2，基本雪壓0.4 kN/m2（100年重現期），地面粗糙度B類[2]。

廠房在結構設計時需要克服多項難點：（1）廠房由于場地內有暗塘和古墓分布，為了保證古墓的完整性，廠房需要在左側邊跨兩處地下有古墓的位置進行抽柱，柱平面布置如圖1所示；（2）考慮精加工區有恒溫要求，廠房右側兩跨內需做吊頂，其中吊頂內需放置組裝式空調系統；（3）廠房內設有三坐標檢測區，因自身對溫度控制要求嚴格，同時區域內放置精密設備，需考慮此獨立系統結構；（4）廠房南側端部設有不同方向的剛架，需考慮未來接跨的可行性等難點。

3 結構方案

建筑結構形式為單層工業廠房，吊車噸位為160 t及100 t的柱跨，柱截面采取格構柱，吊車噸位為32 t的柱跨，柱截面采取實腹式組合柱，采用插入式柱腳；屋蓋形式按輕型屋面設計，屋面梁采用變截面工字形實腹式鋼梁，屋面板為雙層夾芯板，冷彎薄壁Z形檁條[3]。

針對本項目的特點，對于難點做下述處理。

1）由于項目場地內有古墓，文物部門要求對其保護，故采接，柱腳鉸接，三坐標區通過建筑墻板獨立圍成小區域。

4）廠房南側端頭設獨立單坡剛架，同時考慮未來二期有接跨的可能。經過多方面因素的綜合考慮，不采取接跨方式，兩者獨立計算，預留結構縫距離及基礎杯口。取抽柱托梁的方式，局部抽柱后柱距由9 m變為18 m，吊車梁采用變截面形式。其中，在抽邊柱位置增加抗風桁架，另外抽邊柱處增加一個墻架柱，與托梁與抗風桁架連接，有減小檁條計算長度的作用，可使墻面檁條仍按9 m設計，墻架柱柱腳連接方式為鉸接。

2）由于廠房精加工區要求空間恒溫，故采取吊頂方案，其優點：一是可以減小空間體量，降低空調的負荷；二是空調下吹風方式可使廠房溫度均勻；三是空調隱藏放在吊頂內，保持廠房內空間整潔、美觀。

3）廠房內設置三坐標檢查區，此處需精密恒溫，由墻板圍城獨立區域，原設計方案為獨立門剛，后由于設備尺寸要求大，空間受限，此檢查區僅增加墻架柱，墻架柱上端與鋼梁連

圖1 柱平面布置圖（單位：mm）

4 模型建立及結果分析

4.1 模型建立

軟件采用PKPMV1.2 STPJ模塊進行二維設計，考慮到本項目的特點，模型需要根據不同情況分別建模分析，包括9 m柱距標準榀剛架、10.5 m柱距剛架、抽中柱剛架、抽邊柱剛架以及抽柱旁邊榀剛架。圖2為其中有代表的模型簡圖，分別為標準榀、抽中柱、抽邊柱模型。屋面梁恒載取0.35 kN/m2，活載取0.5 kN/m2，吊頂處梁恒載取0.33 kN/m2，活載取0.4 kN/m2，并于梁上空調的位置設15 kN集中荷載。吊頂處豎向吊柱設為單拉桿，兩端鉸接，橫向吊頂鋼梁兩端鉸接，鋼梁、吊柱均采用高頻焊接型鋼。廠房下柱柱截面見表1。抽柱位置頂端采用托梁方式，托梁采用PKPM軟件里彈簧支座來模擬作用。因為托梁可提供給剛架的抗側剛度小，故采用此方式時可僅考慮托梁的豎向剛度，而不考慮托梁的抗側剛度，同時抽柱位置需設置縱向水平支撐，增強廠房空間的穩定性[4]。

表1 廠房下段柱柱截面

圖3 剛架應力比圖

4.2 結果分析

經過建模計算后，標準榀、抽中柱、抽邊柱模型的鋼結構應力比、左風下節點位移圖、鋼梁撓跨比分別如圖3、圖4及表2所示。經過比對分析可知：

1）抽柱的影響。托梁限制了梁端的彎矩，使得梁跨中彎矩增大，跨中撓度增大，尤其抽邊柱的模型，為了使撓度差別不會過大，梁高由850 mm增加到950 mm；柱頂位移方面，抽中柱的模型中其他各柱柱頂位移相比標準榀的柱頂位移在風荷載及地震作用下均有所增加，而抽邊柱的模型中其他柱柱頂位移相比標準榀來說，風荷載作用下柱頂位移增加，而地震作用下柱頂位移變化不大。

2）吊頂夾層的影響。對于跨度為30 m的邊跨來說，吊頂夾層的方式對于梁端彎矩的增加較多，對廠房上柱的也有影響，梁柱節點位置需采取栓焊方式連接，但其優點在于，吊頂的方式可以限制了梁的撓度與位移，同時滿足了工藝及暖通的需求，提高廠房空間的整潔與美觀，綜合考慮各方面，亦利大于弊。

圖4 左風1節點位移圖（單位：mm）

表2 各模型撓跨比

5 結語

隨著工業建筑的蓬勃發展，鋼結構在工業廠房中已得到了廣泛利用，鋼結構的理論研究也日益成熟，結構設計過程中，不僅僅只是保證強度和穩定的要求，還需根據工藝的需求、場地的條件、各專業的配合、施工方案及經濟條件等多方位因素綜合考慮，同時根據廠房自身功能特點，合理且適宜地制訂結構設計方案，使得廠房的安全性、適用性、經濟性得到更大的保障。