多层工业厂房结构设计常见问题

关键词：多层工业厂房 结构体系 设计要点

　　随着我国十一五规划的完成，中国经济在全球领域扮演着越来越重要的角色。工业生产也随之不断的改进提升，工艺流程布局的复杂化，对于以前生产功能单一，建筑布局简单的工业厂房是一次革命性的改变；与此同时，计算机的推广普及，结构计算软件的集成化、简明化，解决了复杂繁琐的结构计算问题。从而应运而生了大跨度、大空间、建筑布局复杂的多层甚至高层生产性工业建筑，在这样的高速发展的背景下，建筑结构布局及设计参数的合理选用，就在结构设计中占到了举足轻重的位置。

　　1 多层工业厂房的特点

　　1.1 平面结构布置和柱网布置 多层工业厂房在平面布置中，通常为了满足工艺要求，使结构布局不规整，柱网不规则，布梁不整齐，甚至有工艺要求在主受力构件上开孔的现象。同时厂房内部一般空间较大，柱距多为6~12m，局部有抽柱设计的，柱距会增大到18m以上。这使得结构传力复杂，受力不明确，设计中容易产生应力集中现象。

　　1.2 竖向结构布置和层高 多层工业厂房的层高较大，能达到4~8m，且竖向布置经常出现错层、夹层，楼板开大洞，这使得楼板无法提供足够的平面内刚度，结构有效质量沿竖向分布不均匀。在地震作用下，结构可能产生“短柱效应”，使得局部柱段水平剪力成为截面设计的控制因素。

　　1.3 各种类型的荷载 工业厂房的集中荷载主要包括设备自重，有时还需要考虑设备的震动扰力，根据规范要求进行动力计算。悬挂荷载主要包括管道荷载，吊车荷载，有时管道还产生水平荷载及弯矩。板面荷载主要根据生产工艺的要求，在不同的生产楼地面有不同的活荷载取值，但这种活荷载一般均大于民用建筑中的活荷载。

　　1.4 楼面及基础形式 工业厂房楼面一般采用现浇钢筋混凝土楼面，但由于工艺所提设备荷载要求，楼板或出现开洞，或出现局部厚度变化。厂房的基础形式多采用柱下独立基础，柱下条形基础，若地基承载力低，可采用灰土挤密桩、砂桩等方法处理，亦可采用灌注桩，直接作用在坚硬的土层上面。

　　1.5 轻型围护结构 工业厂房的围护结构一般不作为承重体系，通常采用轻质材料，屋盖结构多采用钢桁架檩条体系加铺轻质保温层。此种轻型围护材料有利于减轻结构自重，减少地震反应。

　　2 多层工业厂房的结构体系

　　2.1 框—排架结构体系 此种结构体系厂房横向为刚接框架结构，纵向为排架结构，纵向设置柱间支撑抵抗水平荷载。这种结构形式的厂房横向较短，纵向较长，并采用设置结构缝的方式，增大厂房的纵向长度，但柱间支撑可能会对工艺的布置造成影响。

　　2.2 纯框架体系 把厂房纵横向两个方向都设计成刚接框架，不设置柱间支撑。这种结构形式的使用空间不受影响，但柱子在两个方向的截面惯性矩要求基本相同（如箱型柱），增大了钢材用量。

　　2.3 钢架加支撑的混合体系 钢架加支撑的混合体系不同于第一种形式，它将纵向设计成钢架和支撑混合的形式，凭借混合支撑来抵御水平力。这种形式能避免柱的纵向弯矩，但楼面的刚度必须符合设计要求，否侧柱子间会出现不协调的变形，柱子的支撑的作用也会受到影响。

　　3 多层工业厂房结构设计应注意的问题

　　多层工业建筑和多高层民用建筑之间的结构形式、荷载都各有其特点，它的跨度大，层高高，楼板较厚，内隔墙少，存在吊车荷载，在使用软件进行空间分析时，有些问题需加以注意。

　　3.1 平面、竖向布置规则，避免突变 多层工业厂房因为工艺布置的要求，空间的跨度较大，一般都采用框架式的结构体系。结构的安排最好使柱网均匀、对称，为减小房屋的空间扭转作用，房屋的刚度中心应该近似于质量中心。结构体系尽量规则、简捷，能够明确传力。设置结构体系时，注意防止变形突变的收缩和凹角、应力集中，竖向变化不应过于内收或外挑，尽量沿竖向的刚度少突变，甚至不突变。

　　3.2 合理布置支撑系统 在地震烈度较高，设备荷载较大时，为了减少水平荷载对结构的影响，控制结构位移，优化柱截面，可以协调工艺对结构进行支撑系统的布置。支撑可以减小结构构件的计算长度，增加稳定性，增强厂房的整体稳定性和空间刚度，把一些水平荷载传递到柱等主要承重构件。

　　3.3 宜控制框架横向与纵向的周期相近 由于多层厂房跨度、尺寸都不小，柱子不多；但柱距方向尺寸很小，柱子多。正常情况下都采取横向控制的办法，使横向和纵向之间的抗震能力基本持平，不但设计科学、合理，也保证了抗震效果。

　　3.4 多层吊车的近似计算 多层厂房都设有多层多台吊车，以目前的技术，我们无法通过计算软件对多层吊车进行计算，这就要在设计环节来弥补。设计中，将一层吊车作为吊车荷载输入，将其余层的吊车荷载作为活荷载考虑。

　　3.5 设置合理的破坏机制 地震等地质灾害会对结构造成不同程度的破坏，损失程度的轻重要视破坏程度而定，所以，优化破坏次序，防止结构因破坏程度加深而造成更严重的损失便成了结构工程师的主要工作内容。在这一规程中，工程师应该把握一个工作原则：避免结构整体先于结构部分的破坏。工作内容主要有：一是强柱弱梁，也就是避免柱子的破坏先于梁的破坏，整个结构是否牢固关键在于柱子是否牢固；二是强节弱杆，避免节点结构的破坏先于构件的破坏，节点与大部分构件紧密相关，所以要保证节点完好；三是强剪弱弯，剪切破坏发生的比较突然，且无法提前做出准确的预测，而弯曲破坏有一个曲线的变化，往往可以提前预知危险，这就能有效防止破坏进一步蔓延。

　　3.6 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，规范规定钢筋混凝土构件在室内一类环境下，裂缝宽度不应大于0.3mm。若计算不满足，在不增加配筋面积的情况下，可通过减小钢筋直径，增加钢筋根数来调整试算；如仍不满足要求，可加大配筋面积或者修改构件截面尺寸再试算。

　　规范规定抗震设防三个水准目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。采用二阶段设计实现上述三个水准的设防目标，第一阶段承载力验算，结构视为弹性体系，用弹性反应谱进行弹性分析，同时通过非抗震构件设计可靠性水准的提高，实现第一、二水准的设防要求。第二阶段是弹塑性变形验算，对结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采用相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。对于大多数的结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。但多层厂房的设备投资经常远远大于土建投资，罕遇地震的验算在厂房设计中就显得尤为关键。

　　3.7 非结构部件的处理 非结构构件指的是隔墙、围护墙、女儿墙等非主要承重和承力部件，虽然不属于主体结构的一部分，但在地震期间却能够改变主体结构构件在地震中的受力状态及分布规律。所以，非结构部件的处理对于建筑结构整体抗震能力意义重大。因此，首先，或者让非结构部件成为抗震结构整体的一部分或者让非结构部件与抗震结构整体不发生任何关系；其次，装饰物与结构整体的连接要可靠；再次，隔墙、围护墙要避免对结构抗震带来的不利影响，其竖向连接要均匀，在平面上的分布要均匀对称。

　　4 结束语

　　由于多层工业建筑的特殊性，必须对计算结果进行全面的分析比较。柱的轴压比，剪重比，刚重比，振型周期都要求符合规范，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；设计应与施工相结合，避免施工困难；结构计算要准确，设计中应反复试算，调整截面，以达到安全和经济的平衡点。

　　参考文献:

　　[1]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

　　[2]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010.

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