鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)與分析

王天燕

沈陽機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，遼寧沈陽 110006

0 引言

近年來，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，工業(yè)廠房設(shè)計(jì)正向著大跨度、大柱距和大噸位吊車的重型復(fù)雜工業(yè)廠房發(fā)展。本文結(jié)合近幾年我院設(shè)計(jì)的沈陽北方重工(集團(tuán))有限責(zé)任公司冷加工及熱加工整體搬遷改造項(xiàng)目生產(chǎn)廠房、沃得重工（沈陽）有限公司年產(chǎn)萬臺高性能壓力機(jī)械生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目生產(chǎn)廠房為案例。談?wù)剬︿摻Y(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中需注意的地方和簡要分析。

1 鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點(diǎn)

1.1 從建筑上講，要求構(gòu)成較大的空間

鋼結(jié)構(gòu)廠房是冶金、機(jī)械等車間的主要型式之一。為了滿足在車間中放置尺寸大、較重型的設(shè)備生產(chǎn)重型產(chǎn)品，要求廠房適應(yīng)不同類型生產(chǎn)的需要，構(gòu)成較大的空間。

1.2 從結(jié)構(gòu)上講，要求廠房的結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠的承載能力

由于產(chǎn)品較重且外形尺寸較大。因此作用在鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)上的荷載、廠房的跨度和高度都往往比較大，并且常受到來自吊車、動力機(jī)械設(shè)備的荷載的作用，要求廠房的結(jié)構(gòu)構(gòu)件要有足夠的承載能力。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

重型廠房的設(shè)計(jì)多采用普通鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)式柱和實(shí)腹式屋面梁體系，屋面和墻面均采用彩鋼板；這種結(jié)構(gòu)的自重輕，強(qiáng)度高，抗震性能好，施工速度快。在滿足工藝布置要求的前提下，應(yīng)根據(jù)計(jì)算比較選擇合適的柱距；

3 荷載的合理取值

荷載取值應(yīng)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。一般情況下，屋面恒載應(yīng)按照實(shí)際情況計(jì)算取值，屋面活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和積灰荷載等按規(guī)范，其它附加荷載應(yīng)按實(shí)際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計(jì)算時應(yīng)取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應(yīng)考慮積灰荷載。廠房屋面的通風(fēng)器由于其高度和寬度都較大，計(jì)算時應(yīng)按照實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應(yīng)考試積雪的堆積影響，防止由此產(chǎn)生的屋面結(jié)構(gòu)的破壞。同樣局部風(fēng)荷載的增大也會使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。

對于柱距較大的多層吊車多跨廠房，計(jì)算吊車豎向荷載時，應(yīng)按實(shí)際情況以及荷載的作用效應(yīng)，合理確定不同工況、不同效應(yīng)下參與組合的吊車臺數(shù)，不能完全按照荷載規(guī)范，也不能一味取大。

4 構(gòu)件的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定

通過對鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞原因分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故往往都是由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確概念，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生不應(yīng)有的薄弱環(huán)節(jié)。

對于平面彎曲的鋼梁，由于鋼梁整體失穩(wěn)的主要原因是在彎曲壓應(yīng)力作用下，受壓翼緣發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)所致，因此，可以把軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性的概念運(yùn)用到鋼梁受壓翼緣在彎矩作用平面外的穩(wěn)定性上。即通過設(shè)置側(cè)向支撐以減小梁受壓翼緣的側(cè)向自由長度或加大受壓翼緣的寬度以減小側(cè)向的回轉(zhuǎn)半徑。

一般在鋼梁截面設(shè)計(jì)中，考慮強(qiáng)度時，腹板宜既高又?。豢紤]整體穩(wěn)定時，翼緣宜既寬又薄。在荷載作用下。若板件寬厚比太大，受壓翼緣和腹板有可能發(fā)生波形屈曲，稱為梁的局部失穩(wěn)。梁喪失局部穩(wěn)定后，梁的部分區(qū)域退出工作，將使梁的有效截面面積好剛度減小，強(qiáng)度承載力和整體穩(wěn)定性降低。因此，必須限制梁的寬厚比，對于中大跨度梁的腹板，可從失穩(wěn)現(xiàn)象（出現(xiàn)凸凹屈曲）入手，采取布置腹板加勁肋防止其凸凹變形的措施，以解決局部穩(wěn)定問題。

而對于壓彎構(gòu)件即與梁剛接的鋼柱，防止其整體失穩(wěn)的措施就是加強(qiáng)構(gòu)件的側(cè)向支撐，增大構(gòu)件的抗彎及抗扭剛度。壓彎構(gòu)件的局部失穩(wěn)措施與平面彎曲的鋼梁相似。

5 板件的寬厚比

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，限制截面板件寬厚比計(jì)算的目的，是期望截面應(yīng)力進(jìn)入非彈性范圍后，有抵抗局部屈曲的能力，使塑性鉸區(qū)域有一定的轉(zhuǎn)動能力，從而保證在地震反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，通過塑性變形耗散輸入的地震能量。

對于7度及以上抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)廠房，通常使用“強(qiáng)柱弱梁”的原則，即梁先于柱出現(xiàn)塑性鉸，而且要求塑性有一定的轉(zhuǎn)動能力，所以此時對梁的塑性區(qū)段板件的局部穩(wěn)定要求比較嚴(yán)格，通常不允許發(fā)生局部失穩(wěn)，而且也要求控制彈塑性局部屈曲的發(fā)生。

對于剛架柱而言，一般不會出現(xiàn)塑性鉸，但是考慮到材料的變異性和尺寸偏差及大震下的塑性內(nèi)力重分布，柱子也有可能出現(xiàn)塑性鉸。因此也需要按照考慮塑性發(fā)展來對板件寬厚比進(jìn)行控制。不過即使柱子出現(xiàn)塑性鉸，也不會有過大的轉(zhuǎn)動，因此對柱子的局部穩(wěn)定限制不如梁嚴(yán)格。

當(dāng)梁腹板寬厚比不滿足時，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可加橫向及縱向加勁肋或利用腹板屈曲后強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算；柱腹板寬厚比不滿足時，可利用縱向加勁肋或考慮有效截面進(jìn)行計(jì)算。但是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房只能通過加縱向加勁肋進(jìn)行計(jì)算，而且寬厚比控制很嚴(yán)，往往其它方面都滿足，就寬厚比不滿足，加厚腹板就失去經(jīng)濟(jì)性，此時使用Q345鋼，雖單價高于Q235鋼，但強(qiáng)度高，較經(jīng)濟(jì)。

6 柱間支撐

廠房的縱向剛度主要由鋼柱、柱間支撐和其它縱向構(gòu)件來保證。

從歷次地震中所發(fā)生的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)際震害來看，廠房柱間支撐結(jié)構(gòu)的震害主要表現(xiàn)為：上下柱斜撐的平面內(nèi)屈曲，下柱支撐與柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞和桿件拼接處的斷裂。柱間支撐作為廠房縱向的主要抗震構(gòu)件，其設(shè)計(jì)尤為重要，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和采用合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。

7 柱腳設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的柱腳主要有以下幾種：外露式剛接柱腳、插入式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳等。一般情況下，工業(yè)廠房設(shè)計(jì)通常采用外露式剛接柱腳和插入式柱腳。

外露式鋼柱柱腳支座連接破壞特征是柱腳底座的錨固螺栓剪斷或拉壞，甚至拔出。柱腳連接的破壞使鋼柱失去穩(wěn)定，導(dǎo)致廠房因柱傾斜而倒塌。插入式柱腳的破壞均發(fā)生在基礎(chǔ)杯口內(nèi)側(cè)面與二次澆灌層之間，而鋼柱與二次澆灌層的黏結(jié)面不論鋼柱底部有無底板，均未見破壞。外露式柱腳在輕鋼結(jié)構(gòu)廠房和6度、7度時可采用，其它情況應(yīng)采取保證能傳遞柱身承載力的插入式柱腳。

8 其它

對于寒冷地區(qū)，設(shè)計(jì)中還應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆斷。鋼材不宜太厚，結(jié)構(gòu)形式和加工工藝的選擇上，應(yīng)盡量減少結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力，以提高結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力。

[1]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.

[2]GB50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，2006.

[3]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[4]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》（上、下冊）.3版.

[5]周奮生.建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個問題，2010，11.