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多层钢结构工业厂房常用结构形式及设计方案

发布时间:2021/02/25 点击量:
伴随着我国工业的迅速发展,以多层钢结构为主的工业厂房得到了大中型工厂的青睐。多层钢结构厂房不仅能提高单位面积土地的使用效率,而且在结构体系方面有传统混凝土结构无法比拟的优良性能,为企业节省了大量的建造成本,并提升了建筑整体安全性能。因此,探索多层钢结构工业厂房结构的设计方案,具有十分重要的现实意义。
 
近些年来,钢结构因其质量轻、强度高、跨度大、布置灵活、施工周期短等特点,被大规模应用于工业建筑领域,其中多层钢结构工业厂房更因占地面积小、空间利用率高等优势逐渐被市场接受。不过多层钢结构工业厂房普遍存在设备荷载大、柱距大、楼板开洞多等设计难点,本文在对多层钢结构工业厂房进行综合阐述的基础上,分析了多层钢结构工业厂房的设计方案和流程。
 
一、多层工业厂房设计要点
 
出于工艺生产的需求,工业厂房一般柱距较大、层高较高,为安置大型机械设备,柱网布置有时会不规则。同时,工业厂房对承载力的要求较高,不仅因为机械设备静荷载较大,机械和吊车运作时也会产生相当大的动荷载。对于多层工业厂房,跨越层高的大型设备,运输物料的通廊,人员通行的电梯、楼梯等都要求楼板开洞,这些要素都对厂房设计方案提出了很高的要求。
 
二、钢结构的优势
 
钢材相对于石材、混凝土、砌体等,是比较新颖的建筑材料,在人类建筑史上出现的时间不过短短200年,金属构件被发现应用于房屋结构中最早可以追溯到18世纪末的英国。然而钢材因传统建筑材料无法比拟的优势,在建筑领域中异军突起,很快便普及开来。钢结构的主要优势如下:
 
(1)强度高,质量轻。钢材的高强度特性,能满足工业厂房跨度大、荷载大的功能需求,且相比于砌体和混凝土,钢结构可减轻建筑30%左右的质量,有利于抗震设计。由于钢结构建筑总质量小,建筑的地基和基础处理相对简单。
 
(2)塑性和韧性好。钢材的塑性和韧性是砌体和混凝土无法比拟的。一些大工业厂房存在重型吊车和运行时产生振动的设备,钢材对动荷载适应能力较强,在偶然荷载作用下也不容易发生断裂。
 
(3)批量生产,安装方便。混凝土从浇筑至拆模需要7d,而钢结构构件和连接节点已实现大规模工业化生产,构件和节点直接运送至施工现场进行装配式安装,建设周期短,大量节省人力,建设成本低。
 
(4)绿色环保,循环使用。钢结构构件在拆除后仍可以循环使用,绿色环保,符合可持续发展战略要求。
 
三、结构选型
 
合理的结构选型可以在满足使用要求和工艺要求的基础上,节省钢材用量,提高结构整体刚度和承载力。常用的多层钢结构工业厂房结构形式主要有三种,分别为纯框架结构体系、框架-支撑体系、框架加支撑的混合体系。
 
(1)框架体系。框架体系的梁、柱在纵横方向一般均为刚接,传力明确,造型简单。在工业设计中,由于一些管线布置和大型设备摆放,厂房内部不适宜布置支撑,这种情况下可以选择纯框架体系。与混凝土框架结构相似,钢结构框架体系也需要遵循“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的原则。框架体系结构弹性较大,自振周期长,抗震性能较好。同时由于弹性刚度差,在较大的水平荷载下容易产生较大位移,可能会引起结构整体倾覆和破坏。当侧向位移过大时,则只能增大梁柱截面来提高整体刚度,因此这种情况下,框架体系的用钢量会比较大。
 
(2)框架-支撑体系。框架-支撑体系的横向为刚接框架,梁柱节点刚接,纵向钢柱与柱间支撑、钢梁铰接,柱间支撑有效提高了结构整体的侧向刚度,提高了建筑的抗震能力,同时减小了梁柱截面,降低了建筑整体用钢量。框架-支撑体系适合横向较短、纵向较长的厂房,由于厂房内部需设置竖向支撑,一定程度上会影响空间利用率。
 
(3)框架加支撑混合体系。这种结构形式与框架-支撑体系的区别在于,纵向为框架和柱间支撑混合的形式,水平荷载由框架和柱间支撑共同承担。该体系可将柱间支撑设置在纵向最外侧,不影响厂房内部空间。为保证柱子变形协调一致,楼板需要有较大的平面内刚度,一般情况下采用钢筋混凝土楼板。
 
四、工程实例
 
1、项目概述
 
本文所研究的项目为某企业工程一车间。该厂房为局部二层钢框架结构,建筑面积3007㎡,跨数为3跨,跨长8m,柱距8m,纵向尺寸72m。该钢结构厂房为框架加支撑混合体系,柱下独立基础,地上二层,局部一层。局部一层层高为8.05m,局部二层层高为4.68m和3.37m,建筑高度8.05m,如图1~3所示。
 
图1 二层结构平面布置图

图2 GJ1 详图

图3 GJ4 详图
 
2、设计参数
 
基本风压:0.5kN/㎡;
 
基本雪压:0.45kN/㎡;
 
地面粗糙度类别:B类;
 
建筑场地类别:Ⅲ类;
 
抗震设防类别:丙类;
 
抗震设防烈度:Ⅶ度(0.15g)。
 
3、荷载取值
 
(1)恒荷载标准值(面层):
 
压型钢板屋面:0.3kN/㎡;
 
二层楼板:1.5kN/㎡;
 
楼梯间:1.5kN/㎡。
 
(2)活荷载标准值:
 
不上人屋面:0.5kN/㎡(檩条);
 
0.3kN/㎡(刚架);
 
二层楼面(仓库):5.0kN/㎡;
楼梯:3.5kN/㎡。
 
对于活荷载分项系数,一般情况下应取1.4kN/㎡。根据《建筑结构荷载规范》3.2.4.2:对标准值大于4kN/㎡的工业房屋楼面结构的活荷载,应取1.3。该厂房二层作为仓库使用,活荷载标准值为5kN/㎡,因此在计算承载能力极限状态时,基本组合中的活荷载系数应取为1.3。
 
4、结构布置
 
在进行柱网布置时,钢柱位置不仅要满足设备布置需求,而且应尽量均匀对称,建筑刚度中心与质量中心相距不宜过大,以减小扭转作用。平面布置应减少凹角和大尺度收缩,竖向尽量减少大规模外挑和内收,防止刚度突变。
 
多层厂房一般楼面开洞较多,例如跨越层高的大型设备,运输物料的通廊,人员通行的电梯、楼梯等。平面布置时应尽量不要将大型洞口布置在建筑角部和端部。布置洞口的位置,需采取加强措施,可在洞口所在跨的纵横向布置柱间支撑以加强该部位的稳定性。局部开洞较多的部位,可布置水平支撑以加强楼板平面内的刚度和稳定性。
 
5、结构方案模型的建立
 
设计该厂房时使用中国建筑科学研究院的PKPM-STSApp,对厂房模型进行了整体受力分析和截面验算,在建立模型时有如下注意点:
 
(1)重型设备在地震中会产生倾覆力矩,计算时需手动输入。构造方面,倾覆力矩对框架梁受力不利,应合理布置框架梁,使中心线与设备重心对齐。框架梁扭矩较大,可使梁腹板外侧翼缘对齐安装设备的螺栓,梁翼缘宽度不宜太大,以保证预留洞口尺寸。
 
(2)次梁的布置要根据设备位置,和组合楼板的跨高比,防止楼板挠度过大。计算时,由于组合楼板与次梁无连接,应按无侧向支撑计算平面外稳定,建议选用平面外稳定性好的工字钢。
 
(3)STS在计算后,对于强度验算未通过的构件会自动优化,一般为加大截面。但针对不同的情况,截面调整的情况应有所不同。抗弯不足时,一般加大翼缘厚度,抗剪不满足则加大腹板厚度,若变形超限,一般加大截面高度。App自动优化的结果一般都不够经济和有针对性,设计师需根据实际受力情况有针对性地调整截面尺寸。
 
结论
 
本文分析了多层钢结构工业厂房的设计流程。在设计过程中,设计人员需概念清晰,结构布置合理,计算准确,在App计算的基础上,利用自身的专业常识进行有针对性的干预,不能一味依赖于App计算结果。如何设计出满足工艺要求,安全性能高,施工简便,用钢量低的钢结构工业厂房,还需要所有设计从业者结合施工实践,不断思考,不断优化,钢结构未来的市场仍大有可期。
 
编辑概况:傅娉婷(1990-),女,助理工程师,本科,主要从事结构设计工作。
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