重型单层钢结构厂房结构设计

重型单层钢结构厂房结构设计浅论（广西工业建筑设计研究院530000）摘要：在各行业工业厂房中，重型单层钢结构工业厂房占有一定的比重。本文作者通过了在设计工作实践中的体会，总结了重型厂房结构设计一些特点。依据相关规范及设计方法，浅论述重型单层钢结构厂房的设计要点，间述设计经验与方法在实际工程中应用，供读者参考。关键词：重型单层厂房；钢框架；桁架；刚性系杆；梭行空间檩条重型单层厂房的定义：车间内设置100t以上中重级吊车设备，或者设置硬钩、夹钳、刚性料耙的吊车，这一类型按重型工业厂房设计。重型单层钢结构工业厂房不同于轻、中型钢结构工业厂房，它的特点是吊车荷载大，厂房空间高大，开间尺寸比较大。一、重型单层钢结构厂房的结构设计要点1.柱网尺寸厂房柱网尺寸的确定，主要是以下几点为考量：（1）满足生产工艺流程布置要求。（2）厂房建筑统一模数制的规定。一般厂房边柱距为6m，需要时中间可以抽柱，形成12m、18m、24m、30m等（3）工程地质条件和柱基础方案。（4）减少构件规格，使构件标准化定型化，以利构件工厂制作。（5）制作、运输、吊装条件。一般来说，根据国内设计经验，重型厂房钢结构框架跨度设计为24m到36m这个区间内比较合理。当跨度超过30m以上，厂方高度超过15m以上，吊车吨位超过100t以上，边柱柱距以6.0m，中间柱距以12m设计较为经济。当然如果工艺需要，而屋面、墙面采用轻型围护结构，则重型厂房外围柱距可以采用7.5m、9m、12m、18m，如是多跨相应中间柱距可布置成15m、18m、24m、36m等。需要说明，柱距加大后，屋面、墙面檩条、托架、吊车梁随着跨度增大，如果按实腹h型钢梁设计或选用，则用钢量随之增加很多，特别是9m柱距以上，以常规6m柱距为例，在荷载、材料、檩距相同条件下，屋面薄壁实腹c型钢檩条用钢量约4kg每平方米，9m则用到约8kg每平方米，是前者的2倍。用轻型h钢则是1.3倍，如果用钢管梭行空间檩条，则每平方米用钢量约3.6kg，因此，9m以上檩条最好是设计成空间桁架檩条。18m以上托架、吊车梁应按桁架行设计，按多年的设计经验，桁架比实腹h型钢梁省料30-40%左右。这样设计才经济。由此可见，柱网尺寸的确定要综合考虑问题，一般没有特殊工艺要求，建议柱距外围用6.75m、7.5m，9m，中间柱距用13.5m、15m、18m比较经济。6.75m柱距是在一个仓库设计实践中优化出来的，多跨中间柱网为13.5m。没有吊车，彩板围护结构。2.柱类型的选择与设计柱的设计，应考虑建筑轴线、净空、吊车轮距、厂房刚度等问题。重型单层钢结构厂房因其吊车荷载大的特点，柱子断面高度常超过1.0m。（如作者2.001年.4月主持设计柳州特种变压器厂总装重型车间，100t吊车，钢格构下柱断面1.45m*0.48m）因此厂房柱多使用阶形格构式柱和分离式两种，格构柱由实腹上柱和能节约用钢量的格构式下柱构成。分离式柱由于具有吊车肢可灵活布置的特点，有扩建跨或相邻两跨吊车轨顶标高相差较大的，应选用该形式。在进行柱截面设计过程中，一般将下柱截面高度取柱计算高的1/8～1/15左右，上柱截面计算高度取柱高的1/8～1/12左右，。上柱截面高宽比0.35～0.6，下柱截面高宽比0.25～0.5。肩梁将上柱与下柱有效地连接，起到承上启下的作用。肩梁有单、双腹臂之分，单臂用于柱承担荷载较小的柱，双臂肩梁因其刚度大、整体性好多应用于重型厂房柱。肩梁的构造要求，其惯性矩要大于上主的惯性矩，线刚度与下柱线刚度之比应不小于25，高垮比控制在0.35～0.5之间。另外，柱身板件的宽厚比要符合规范规定，这样才能保证柱断面在承载中局部稳定。3.厂房结构受力体系的设计对于重型单层钢结构厂房而言，横向结构及纵向结构构成整个厂房的受力体系。其中横向框架结构受力体系作为厂房重要承重结构，主要是由柱、横向框梁或屋架结构构成；横向框架结构受力体系承担全部屋面荷载、吊车轮压及横向制动力、风荷载以及地震力等作用。因此，这个体系有条件应按框架结构计算，柱脚、柱顶与梁连结按刚性连接，以减小柱顶弯矩，增大框架横向刚度。纵向结构体系的作用在于保证厂房具有足够的纵向刚度，该体系主要由柱、托架、吊车梁、系杆、柱间支撑等构件组成的，纵向结构体传递吊车纵向制动力、风、地震等纵向荷载，同时将纵向荷载传递给厂房基础。因此该体系构件设计要合理，才能保证其传力明确、纵向刚度。其布置原则为：（1）每列柱顶设计通长刚性系件。（2）由于柱子断面高度常超过1.0m，每列柱@60m都应布置一道柱间双片垂直支撑，在温度区两端布置上垂直支撑，中部布置上下垂直支撑。支承杆件应按压杆设计，其长细比可取150～200，杆件用双槽钢组合为好。（3）多跨厂房每列中柱刚性系件、柱间垂直支撑布置要和边柱在同一柱间。（4）如果是排架结构，屋架又是下支承式，则屋架上端部应布置通长刚性系杆，布置屋架端部垂直支撑，位置和柱间支撑一样。托架设计：根据截面形式，可分单臂式和双臂式、工字型、箱型。双臂式、箱型用于承受荷载大、跨度大、抗扭转的托架，反之则用单臂式。当托加受到净空限制或吊有较大荷载，则应选用工字型、箱型截面。格构托架比实腹工字、箱型钢托架节约钢材30%以上，因此无特殊要求应首选格构式。托架与柱连接为上弦端节点铰接支承，托梁与柱连接按铰接设计。当托架、梁有扭矩，则支座应设计抗扭构件。设计要点：（1）单臂式托架应尽量避免承受扭矩，平面外设置水平支撑。（2）双臂式弦杆采用平腹h钢，缀条用槽钢。（3）为了减少扭矩，屋架、屋面梁与托架、托梁连接处应尽量采用平接。（4）托架、托梁截面高度分别为1/5～1/10、1/8～1/10翼缘宽1/2.5～1/5，箱型1/8～1/12，托架挠度控制在l/400。4.屋盖类型与屋盖支撑的设计重型单层钢结构厂房相对于其它结构形式的厂房而言，跨度和柱距空间都比较大，角钢屋架承重传统的屋盖类型已经不能满足需要。在重型单层钢结构厂房屋盖类型的选择上，一般屋面使用h型钢梁承重的有檩轻型屋盖。h型钢梁有受力、易加工、运输、安装等好特点，特别是柱顶与梁端设计成刚性节点，构造简单可靠，因此广泛用在现代厂房屋盖中。重型单层钢结构厂房由于吊车荷载大，空间高大，在吊车行走过程中，厂房的震动也大，在屋盖结构设计中，必须重视屋盖支撑的合理设计，以加强其整体刚度。h型钢梁或屋架承重屋面设计原则：（1）每60m设计一道横向上下弦水平支撑。h型钢梁仅布置上弦（2）跨度方向两端设计纵向上下弦水平支撑，形成屋面周边封闭的水平支撑体系。如跨中有天窗，则天窗两边也应设计纵向上下弦水平支撑，h型钢梁仅布置上弦（3）为保证屋面梁侧向稳定，每隔一檩条间距设计一道隅撑（仅用于h型钢梁）。（4）在有上下水平支撑的柱间布置垂直支撑（5）在有垂直支撑的平面内布置上下刚性系杆。刚性系杆为能承受拉压的杆件，（6）支撑杆件长细比取150～200。5.确保结构分析计算的准确性随着科技的发展，计算机技术得到广泛的应用，重型单层钢结构厂房横向或纵向结构的分析与计算也可以应用计算机技术来完成较为繁琐的分析工作。在实际操作过程中，使用pkpm系列的重型厂房stpj软件分析计算厂房空间结构的受力情况。这种结构分析技术模式的准确性还是比较高的，在计算模型设置合理，输入数据准确，相关参数也较为准确的情况下，得到的分析结果的精度是很高的。在对重型单层钢结构厂房进行实际的分析计算时要重视一下几个方面的问题：一、按厂房的实际结构建立计算模型；二、分析计算过程中考虑重型单层钢结构厂房阻尼的特殊性；三、厂房抗震等级可依据《gb50011—2010建筑抗震设计规范》的相关条例确定；四、考虑钢结构构件上加劲肋、连接节点板等对结构的影响；五、分析计算中要要考虑到围护结构对厂房结构的影响度；六、地震作用效应应该计入到厂房纵向柱列计算中；七、当重型单层钢结构厂房的跨度较大时，相关计算需要考虑竖向地震力对结构的影响。6.合理确定控制指标重型单层钢结构厂房实际设计过程中，要重点控制结构杆件的相关尺寸如长细比例、受弯杆件的挠度等指标。柱子作为整个结构的重要承重结构，一定要控制好柱子的长细比例，保证足够的刚度。对于受弯杆件其挠度值要严重控制在一定的范围内，比如抗风桁架的挠度值不能大于l/1000。有时为了控制受弯构件的挠度值符合要求，会出现构件应力比比较小的状况，此时为了节约成本投资可以对容许挠度值适当调整。二、工程案例作者主持设计广西柳州特种变压器厂总装重型车间，重钢结构单层厂房，位于柳州市柳石路，两连跨24m-24m，吊车装备100吨-10吨，，长108m，宽48m，，柱顶高16.80m-11.0m，框架各构件截面尺寸：上柱6.0m高，h400*600**16*18；下柱12.0m高，截面尺寸见图一；框架梁根部加腋常3.0m，h250*500～1200*12*12，中部h250*50012*12；单腹臂肩梁；h型16锰钢吊车梁带制动桁架；h400*16-1000*12-360*16；天然地基，地基承载力按240kpa。屋面墙面维护采用0.62镀铝锌彩板。2002年5月投入使用到今良好，特别是业主常超额定使用吊车，常超出20%～30%额定量，车间运行还很稳定，得到业主的好评。该工程总结采取以下几项技术措施：（1）框架格构下柱断面采用两个箱型肢，惯性巨大稳定性好。见图一。（2）柱脚采用分离式设计，稳定可靠。特别是吊车肢、屋梁肢脚底各设计一个h200*300（高）*20*20抗剪键，键高与柱断面高度平行设计。在基础顶面预留好抗剪槽口并每边预留一个斜槽，槽口壁四周凿毛，待柱子吊装完后，用灌浆机将高强砂浆压入槽内与基础固结。这样设计抗剪键抗剪弯性能好，抗剪键就像柱子生了根，稳定性特别好。见图二。（3）加密了柱间垂直支撑和屋面水平支撑支撑，一般60m设计一道，现108米设计了四道。屋面外围四周设计横、纵向水平支撑，形成封闭圈。柱顶四周设计刚性系杆。下柱支撑设计成双片。（4）在下柱中部布置了一圈刚性系梁。三、结语重型单层钢结构厂房在结构上具有诸多优势，得到了各行各业的广泛认可。工程技术人员在进行结构设计时要精心设计，以结构安全、技术先进可靠、投资经济为原则，设计出优秀的工程。参考文献：[1]《钢结构设计与计算》包头钢铁设计研究院等编机械工业出版社.[2]《建筑结构资料构造图集》中国建筑出版社.