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某重型钢结构厂房结构设计剖析

作者：张航

来源：《建筑建材装饰》2016年第04期

摘要：目前我国经济处于一个快速发展的时代，各个行业发展都很迅速，重型钢结构厂房在各个领域中的应用也是日新月异。本文以一个100t桥式吊车重型钢结构厂房为例，着重介绍了重型钢结构厂房的结构、典型节点的设计等方面。例子中的重型刚接过厂房主结构为格构柱加变截面钢梁的设计方法，围护结构则采用了复合保温板，就是指金属波纹外板加玻璃丝保温棉再加金属波纹内板的方式。

关键词：工业厂房；重型刚结构；结构分析 前言

近些年来，随着我国钢结构产业的飞速迅猛发展，钢结构厂房广泛运用于我国的很多的行业领域，气质重型钢结构厂房在冶金行业中应用最多。钢结构的厂房有很多种特点，比如自重轻、工厂化程度高、建造时间段、工作强度小、环保、抗震性良好等等特点，相比于钢筋混凝土结构来说，具有高、大、轻三方面的独特优势。随着钢结构厂房设计技术发展的愈来愈成熟，设计软件也变的越来越先进化、人性化，相信在不就的将来，钢结构厂房在各个领域的应用会越来越广泛，发展前景一片大好。 1 工程概况

某重型钢结构厂房总长度为102m，总宽度为41m，建筑总面积为4218m2。该厂房为高低两连跨，跨度分别是21m与18m，最大高度为19.5m，高跨安装一台100t与一台32t双梁桥式起重机，低跨安装一台32t双梁桥式起重机。该钢结构采用格构柱加变截面H型钢梁，冷弯薄壁c型钢用于墙面与屋面次结构；在围护结构中采用复合型保温板，即金属波纹外板、玻璃丝保温棉与金属波纹内板同时采用。下图为该厂房剖面图：

此钢结构厂房的主体结构的用钢量约为295t，吊车梁制动结构的用钢量约为99.8t，此结构用钢量为101.6t，基础锚栓用钢量为9.5t，厂房主体结构用钢总量为505.9t，平均用钢量为119.9kg/m2。

2 厂房的结构设计与分析 2.1 结构设计

此钢结构厂房的高跨部分采用的是双指格构柱，低跨部分则采用H型阶梯柱，梁采用变截面H型钢梁与柱刚接。在一般的重型钢结构的厂房建造中，通常采用框排架的结构，就是

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指利用提醒或者三角形的钢屋架，钢屋架与钢柱铰接。但是这个厂房建造中采用的是轻型门式钢架中的楔形梁单元，这种结构具有制作简单、安装方便且经济适用的特点。

在重型钢结构的建造中，设计的关键点在于控制结构的稳定性。在本工程中，柱间支撑与屋面水平支撑都是采用刚性支撑去加强整个结构的稳定性；在主钢架计算中严格控制吊车梁节点处于檐口处的水平位移，都控制在1/1250的范围内。在工程中采用的是楔形梁单元，在《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中对计算方法有着明确的规定，但是在《钢结构设计规范》中又将其等效成等截面H型单元去计算，为了保证本工程中的结构构造安全的目的，主钢架的计算方式使用以上两个标准进行共同计算。在工程施工中，钢柱与钢梁结构都采用《钢结构设计规范》中的计算方式来计算，然后进行调整，直到达到设计要求；之后钢柱利用《钢结构设计规范》、钢梁则采用《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中的方法进行计算，计算完成之后进行再次调整，直至符合工程要求。 2.2 结构分析

吊车的重量普遍很大，在厂房建造完成之后使用中，容易导致厂房发生振动，所以钢结构厂房的稳定性是设计中的重中之重。屋面支撑利用角钢，而且一般情况下屋盖支撑的方向都是纵向支撑，和横向支撑共同形成封闭体系，使得厂房的整体刚度得到有效提升；厂房在屋檐、屋脊、转折处与相应位置通常设置刚醒系杆，屋面支撑、系杆的布置平面如下图：

在结构设计依据方面，根据国家的有关规定，此钢结构厂房的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组；建筑场地类别为II类。主要设计荷载为： 屋面活荷载：0.35KN/m2；

屋面恒荷载：0.35KN/m2（屋面采用轻型彩钢板）； 风荷载为O.50KN/m2（按照五十年一遇设计）；

主结构所用到的钢柱钢梁选取Q235-B钢；吊车梁选取Q345-B钢；

本工程按照《钢结构设计规范》的规范进行设计，利用中国建筑科学研究院的PKPM结构计算系列软件中的STPJ刚结构重型工业厂房设计软件进行建模、内力计算与分析，还采用了上海同济大学的3D3S钢结构设计软件进行核对。柱梁应力比控制在0.8～0.9，主要节点吊车水平荷载位移和地震位移如下图，图中上面数据为吊车水平荷载位移，下面数据为地震位移，其结构变形满足相关规范值要求。 3 柱脚设计

柱脚按刚接设计，采取分离式中型靴梁柱脚与平板式柱脚。首先要根据基础混凝土的抗压强度与柱承受的轴力来确定柱底板的面积。在这个设计中设置了靴梁与腹板加劲肋隔板，可以

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在很大程度上减少底板的厚度，底板塑性发展系数取1.2；在了解基础面积的时候，局部承压系数按照B，柱脚底板的水平反力应由底板与基础混凝土之间的摩擦力传递，摩擦系数取0.4。在本设计中，水平反力大于摩擦力，在柱底板下部焊接抗剪键进行加强。 4 屋面与墙面设计

屋面与墙面檩条采用Q235-A钢，规格是C180×70×20×3，按其仅承受恒、活、风载进行计算。檩条按照1.5m间距进行布置，并且在相邻的檩条之间布置双列拉条或者撑杆，从而大大加强相邻钢架间的屋面或墙面的整体刚度与强度。屋面与墙面都采用复合板构成的轻质材料，就是外板加保温棉加内板的构造，内外板都是镀锌压型钢板，质量仅为24kg/m2。这种复合板轻质材料具备接杯、装饰与防水三方面的作用，而且围护简单，它的围护费用是远远的低于传统围护材料的。 5 施工中需要注意的方面

在相关规定中，规定了吊车节点处的水平位移不大于1/400，而该工程设计的吊车节点位移与柱顶位移均控制在1/1250的范围内，且实测位移比计算出的位移还要小。在钢结构厂房的建筑与设计中我们还应注意以下几点问题：在工程设计中应当综合考虑结构受力与钢结构制作安装的便利性，在用钢量相似的情况下应当首先选择结构简单；容易制作的截面形式；在设计重型钢结构厂房的过程中，应当把厂房的稳定性放在第一位。应当注重整体结构的稳定性控制以及位移控制；在设计钢结构是应当严格遵照相关的制度规范，不得随意降低设计指标；设计重型钢结构厂房时应当首选大柱距（9m或者12m），这样可以减少用钢量，节省工程项目成本；在局部加载使用的性能体验当中，每级加载应保持足够的持荷时间，是弹性变形得到充分的发展，通过对各种因素的综合考虑，对此类结构每级加载持荷时间不少于三十分钟，最大荷载持荷时间不少于一小时，卸载的持荷时间和加载的持荷时间应该采用一样的时间点，用来保证残余变形量的准确性；最后，筒体之间钢连梁的受力情况相对复杂，施工技术人员需做好这方面的工作，对受力情况进行透彻的分析，是整个工程质量安全的关键工作，连接节点的设计也是非常重要的，需要进行有限元应力分析，满足性能化的设计要求，在大跨度钢梁以及压型钢板混凝土组合楼盖也需要满足舒适度的这一设计要求。 6 结语

重型钢结构与混凝土结构进行比较，我们不难看出，重型钢结构具有自身重量轻、施工时间短、性能较好、环保、工厂化程度高、劳动强度小等等很多优点，随着我国钢结构建筑技术的迅速发展，因为重型钢结构的这些优点，重型钢结构厂房将会在各个领域得到更加广泛的应用，为我国工业建设的快速发展贡献一份力。