浅谈重型钢结构厂房的结构设计

[关键词]工业厂房 重型钢结构 吊车 工艺布局 风、雪荷载 结构选型 

　　前言 

　　随着我国经济的高速发展，工业项目结构形式也发生了很大变化，由最初的高大、浑厚的混凝土排架或框架形式转换成了钢结构形式。钢结构结构形式能充分利用钢材强度高、延展性好的优点，此类项目由专业厂家加工制作，施工吊装安装快捷，施工现场整洁干净，施工周期短，于是在各行各业涌现出了一批批钢结构厂房。由于钢结构能更好地实现大跨度、大柱距、大吊车的结构布局，所以能满足多样化的工艺平面布局要求，加上钢结构厂房质轻的围护结构，故而此类结构受到了更多用户的青睐，被更广泛地推广到各行各业。本文主要就典型重型厂房的进行设计例证，总结此类项目的基本设计要则，以更好地缩短设计周期，降低设计人为成本，在结构方案上合理化控制工程造价，实现工业项目的人性化设计。 

　　一、结构平面布局选型 

　　经济合理的结构布局往往以合理的结构单元划分为前提。结构单元的划分基本考虑因素有如下几项：工艺布局、吊车设置、建筑物平面投影尺寸等。 

　　1、结构单元平面尺寸基本要求：在满足生产工艺布局、人流入口、货流入口、参观通道等要求前提下，重型钢结构厂房结构单元经济控制尺寸基本为长度方向总尺寸不超过220米，跨度方向不超过150m。 

　　2、能归并为一个结构单元的吊车使用要求：尽量使轨高差异不大，檐口高度或刚架端部下沿高度在12m以上的合并为一个单元进行计算。因为，鉴于轻钢规程（CECS 102：2002）的使用范围，没有必要将轻重吊车合并为一个单元进行计算。如果主跨为大吨位吊车，附跨为轻型吊车，设计时应尽量合理分配结构单元。在保证主跨横向刚度足够抵抗侧向风荷载、地震力的前提下，公共轴处建议设双柱，总结原因主要有两个：（1）设双柱能合理利用轻钢规程与钢结构规范的相关控制指标，根据地震力是否是控制指标，合理选择钢柱钢梁的腹板及翼缘的宽厚比及高厚比限值，不再是附跨技术指标从属主跨，将各项设计指标均从严控制，会造成不必要的浪费。（2）主附跨公共轴处一般均为高大型防火隔墙，此类墙体贴砌在主跨钢柱外侧，若不脱缝，则双柱合一，这样为保证公共柱两侧的吊车安全运行距离，则必然会增大厂房横向尺寸，公共柱往往成为三阶柱，柱截面三段变化，柱截面加工焊接量较大。另外，此处公共隔墙也会出现三段式设计，其竖向呈“Z”字型，墙体构造及安装困难，重型吊车的制动系统、辅助系统安装也会非常困难。 

　　3、投影尺寸以矩形或方形为主的可化为一个结构单元。若出现长向端部局部收进，则须注意收进尺寸不宜过大，按抗震规范平面布置尽量规则的指导原则，虽然厂房的地震力不一定是主控因素，但符合抗震概念的指导精神要求，也会消除掉后期许多不良隐患。若非收进不可，则因考虑采取在平面凹角处增加补强措施，通过补强措施增强厂房的整体性。 

　　二、重型吊车钢柱选型 

　　考虑到取材便利、用钢量经济指标等因素，对于吊车吨位超过50吨的厂房，实腹柱截面初步选型截面高度大于700、翼缘板厚度在18mm以上的钢排架，建议设计人考虑格构柱的设计方案，在综合分析实腹柱与格构柱的用钢量、加工便利、防锈漆防火涂料附着力等方面后，再予以定案，确保设计不返工。 

　　三、普钢厂房屋面变形控制指标 

　　从计算假定看，普钢排架厂房一般假定屋面刚度无穷大，挠度太大不行。从厂房变形要求看，规范对吊车轨顶处的水平位移有较严格的规定，如果屋面梁刚度太小，钢柱则成了悬臂柱，位移不能满足，用钢量则转移到柱子上了，即柱子截面要很大。 

　　一些老前辈偏向于用桁架屋面梁（屋架与柱子铰接，这其实也是以前没有计算机，为了方便采用手算而采用的一种结构形式），因为当时采用大型屋面板，荷载较大，容易出现漏水问题，而桁架屋面梁的刚度大，结构安全度高。桁架梁在国内的使用时间比较长了，积累的经验也比较多，技术已经比较成熟，以致沿用至今。 

　　实际上，现在普通厂房中使用实腹式梁（梁柱刚接，刚度也不小；采用轻型彩钢板屋面，其对屋面梁变形要求不严，不会产生漏水等问题），从结构体系来说是没有问题的，已通过实践的检验。 

　　建议如下： 

　　1、大吨位吊车轻型屋面的钢结构厂房，屋面钢梁的挠度问题，也超出了《门钢规程》的范围，如果钢梁挠度控制得太严格的话，会出现浪费的问题，现在许多工程已经将钢梁挠度指标放宽了，可以参考《门钢规程》，但支撑系统最好采用普钢设计，不能采用圆钢。 

　　2、对于采用轻型屋面的大吨位吊车轻型屋面的钢结构厂房，钢梁挠度可以取L/250。对于采用大型屋面板的大吨位吊车轻型屋面的钢结构厂房，钢梁挠度仍取L/400。对于采用轻型屋面的但钢梁上带有悬挂吊车的大吨位吊车轻型屋面的钢结构厂房，钢梁挠度取L/400。 

　　四、柱脚形式选取 

　　由于重型吊车的吊车荷载较大，柱脚弯矩太大，常规的平接式柱脚不能满足受力需要，故建议重型钢柱的柱脚以插入式为主，插入深度的计算既要满足截面本身的高宽比例要求，尚应满足抗震要求的截面塑性要求。如：双肢柱截面尺寸为：全截面高度hc=2375mm，全截面短边尺寸bc=700mm。 

　　1、构造计算：杯口插入长度H1应为1.5xbc和0.5xhc的最大值，即最少插入深度应为1188mm。 

　　2、抗震计算： 

　　H1应为2xbc=1400mm和squa（6M/bf.fc）的最大值，其中bf为吊车肢翼缘宽度，fc为混凝土抗压强度。 

　　上述两项的最大值才符合柱脚的插入深度要求。 

　　结语 

　　仅以笔者多年工业项目设计经验，对重型厂房的结构设计做了一些总结。另外，除考虑上述关键要素外，设计时还有许多需要注意的地方，比如地面堆载、室内风管、人孔等等，设计时不应只考虑本专业的技术要则，更需要对项目有一定的认知程度，读懂工艺图，熟悉关联专业的设计主控方向，这样才会少走弯路，为项目争取更多的设计时间，才能结构设计不被动。 

　　参考文献 

　　[1] 中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范[GB 50017―2003].北京：中国计划出版社，2003. 

　　[2] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范[GB 50011―2010].北京：中国建筑工业出版社，2010.