论多层工业厂房的结构设计

 

[论文摘要]分析多层厂房结构设计的特点及结构计算中应注意的问题，以做到合理、经济的最佳结构设计。

 

一、引言

 

随着国民经济的迅速发展，工业建筑要不断满足现代大工业生产，工艺不断更新的要求，过去那种单一功能，单一建筑形式已经不适应生产方式改变的需要，联合车间、灵活车间、工业大厦等多功能厂房应运而生。另外，建设用地的紧张以及工艺流程的需要，越来越多地多层厂房甚至高层厂房出现。多层厂房的特点是跨度大、荷载大、开洞多、有多层吊车，在设计过程中，有些问题值得总结和探讨。

 

二、多层工业厂房结构设计要点

 

多层厂房因为工艺布置的要求，一般都需要大空间，结构通常采用框架结构，在层数较多、工艺条件许可的情况下也可以采用框剪结构。结构布置的原则是：尽量使柱网对称均匀布置，使房屋的刚度中心与质量中心相近，以减小房屋的空间扭转作用，结构体系要求简捷、规则、传力明确。避免出现应力集中和变形突变的凹角和收缩，以及竖向变化过多的外挑和内收，力求沿竖向的刚度不突变或少突变。

 

1.控制横向框架与纵向框架的周期。由于多层厂房跨度方向、尺寸较大，柱子少；而柱距方向尺寸较小，柱子多。一般都是横向控制，使纵横向的抗震能力大致相同，不仅有利于抗震，也使设计更为经济合理。

 

2.合理布置电梯间的位置。多层厂房由于设备、货物很重，竖向运输的需要，均要设置电梯。钢筋混凝土电梯井筒刚度很大，应充分考虑电梯井筒对建筑物的偏心影响，在结构布置上尽量避免电梯井筒布置在建筑物的角部和端部。当工艺布置需要而不可避免时，应对周围的楼板及框架采取加强措施。

 

3.地震区的多层厂房宜少或不设防震缝。地震区房屋的伸缩缝是合一的，当房屋较长时，宜采取下列一些构造措施和施工措施以少设伸缩缝及防震缝；施工中，每隔40m设置一道800mm一个1400mm宽的后浇带，后浇带的位置设在结构受力影响最小的区段；在温度影响较大的顶层、底层、山墙和内纵墙端开间的墙体等部位，适当提高配筋率；加厚屋面隔热保温层或设置架空层形成通风屋面。

 

三、常用的结构体系

 

1.框架一支撑体系。即横向设计成刚接框架，纵向设计成柱一支撑体系，用柱间支撑抵抗水平荷载。这种体系经济节约，但柱问支撑可能会影响使用。这种形式特别适用于纵向较长，横向较短的厂房。

 

2.纯框架体系。把厂房纵横两个方向都设计成刚接框架，不设置柱间支撑。其优点是使用空间不受影响，缺点是柱不宜采用工字型柱，而要采用两个方向惯性矩差别不大的截面形式(如箱形柱)，使用钢量增加。

 

3.钢架加支撑的混合体系。这种形式与第一种形式不同之处在把纵向设计成钢架和支撑混合的型式，靠两者共同抵抗水平力。这种形式可以有效地减少柱的纵向弯矩，但要求楼面刚度大，否则柱子间的变形不协调，无法充分发挥柱间支撑的作用。

 

四、结构设计中应注意的问题

 

1.结构设计与工艺设计的协调。厂房都是为生产服务的，厂房设计中结构专业作为配套专业首先应满足工艺要求，结构设计也只能服从于工艺条件。而工艺设计人员在工艺布置时，经常与结构设计发生矛盾，要开洞的地方是框架梁，设备本来可以沿梁布置却布置在了跨中等。所提荷载也经常偏大，有时甚至把设备的荷载作为均布荷载提出。尤其在方案阶段，结构设计人员应多与工艺协调，尽量了解工艺布置，使设计和施工都减少了许多不必要的麻烦。

 

2.结构计算。随着计算机软硬件的迅速发展，解决了复杂的结构计算问题，使结构工程师们从繁重的琐碎的计算工作中解脱出来。他们可以把大量的精力放在结构方案的选择比较上，合理的确定结构方案及结构布置，从而提高设计水平及质量，降低工程成本。

 

（1）楼面等效荷载的计算。荷载计算是结构计算的条件，荷载取值的准确性直接关系到计算结果的准确性，工艺条件中的荷载问题，如某个工程工艺提出楼面均布荷载为15kN/m2，而根据工艺的设备布置图和设备的重量，根据规范给出楼面等效荷载的计算方法，计算出的楼面均布荷载按10kN/m2考虑即可。由于多层工业建筑与一般多高层民用建筑结构形式、楼面活荷载等有许多不同之处，多层工业建筑楼面活荷载大于多高层民用建筑。有的中小型机床上楼层、柱上、梁上还有吊车荷载，它的跨度柱网一般比民用建筑大，层高相对较高，最大特点是整个平面几乎没有内隔墙。多层工业建筑一般采用现浇钢筋掘凝土板梁柱结构，板厚比一般民用建筑厚，楼板的平面刚度可视为无穷大，电梯货梯间，如不用剪力墙：整个刚度重心移向剪力墙，而电梯或货梯一般设在端头，结构刚度布局就不合理，所以电梯货梯间就使用框架填充墙结构。

 

（2）节点核心区的抗剪验算。框架节点的设计应遵循“强柱弱梁更强节点”的原则，一二级抗震等级的节点还应进行受剪承载力计算。由于多层厂房的梁柱中心线往往不能重合，加之柱的截面比较大，节点偏心也比较大，对柱节点核心区的构造和受力都有较大的不利影响。因此，大跨度、大空间、大荷载的多层厂房的节点核心区的抗剪验算显得更为重要。

 

（3）裂缝宽度、罕遇地震的验算。裂缝宽度的验算是为了满足正常使用状态的要求，规范规定混凝土梁的裂缝宽度不应大于0.3mm，如计算中超过，可以通过减小钢筋截面、增加钢筋根数来调整，如果还不满足要求，应修改柱梁截面重新计算。抗震设计的原则是三不准，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。所进行的抗震验算仅满足“小震不坏”，构造上加强来满足“中震可修”，罕遇地震的验算则是满足“大震不倒”。规范规定79度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构宜进行高于本地区设防烈度预估的罕遇地震作用下薄弱层(部位)的抗震变形计算，并且规定结构薄弱(部位)层间弹塑性位移角应小于1/50。多层厂房的设备投资经常远远大于土建投资，罕遇地震的验算应属必要。

 

（4）与电梯井筒相连框架的考虑。过去设计按纯框架计算，电梯井壁按构造配筋，这样偏低不安全，框架部分应按壁式框架计算出的数值进行配筋，电梯井壁则应按剪力墙配筋。

 

另外，多层厂房一般有多层多台吊车，在设计中采取的办法是将一层吊车作为吊车荷载输入，而将其余层的吊车荷载作为活荷载考虑。

 

五、小结

 

综上所述，做好多层工业厂房结构设计的关键在于：概念应清楚，结构选型应做到合理；施工图的设计应与施工相结合，避免施工困难；结构计算要准确，计算中应反复试算，调整截面，以达到最佳设计。

 

参考文献：

 

[1]郑敏楠，多层工业厂房结构计算的探讨.福建建筑，1998(总第57期).

 

[2]安一清，多层工业厂房结构设计的探讨.山西建筑，2003年2月第29卷第2期.