重型单层钢结构厂房的结构设计特点

缪洪文

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

重型单层钢结构厂房的结构设计特点

缪洪文

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

在冶金工业厂房设计中，为了满足生产的需要，厂房设置起重量超过100 t的吊车，厂房属于重型厂房。针对重型厂房的特点，结合相关规范要求和设计经验，阐述了设计要点和设计应注意的事项等，确保厂房结构的安全和经济。

厂房;钢结构建筑;建筑设计

0 引言

重型单层钢结构厂房的特点是吊车的额定起重量大(≥100 t);厂房的高度较高(一般轨顶标高≥20 m);厂房的开间尺寸大(＞9 m)。为了保证重型单层钢结构厂房的安全性及经济性，在结构设计时应注意以下几个方面:①需合理确定轴线尺寸、柱网尺寸;②选择合理的柱子类型与截面;③选择合理的结构受力体系;④选用合理的屋盖类型和屋盖支撑;⑤保证结构计算分析的准确性;⑥合理确定控制指标。

1 确定轴线尺寸、柱网尺寸

确定轴线尺寸、柱网尺寸首先需满足生产工艺和结构本身的要求，同时还需经济合理，遵守《厂房建筑统一化基本规则》《建筑统一模数制》的规定。厂房的跨度轴线尺寸L，见图1。

式中:A1、A2由结构要求确定，吊车的轨距S以及吊车轮子中心至桥架端部的长度B由设备厂家提供。当吊车梁顶设置安全通道时，净空尺寸C≥400 mm;当吊车梁顶不设置安全通道时C≥80 mm。当计算出的跨度尺寸L≤18 m时，取3 m的倍数，当L＞18 m时，取6 m的倍数。从综合经济效果考虑，重型厂房钢结构框架(排架)以24～36 m较为合理。

重型单层钢结构厂房的柱距应比传统的6 m更为扩大，在满足工艺的前提下应以9～12 m较为适宜，当有特殊要求时可采用15 m或更大的柱距。为满足结构本身的要求，使房屋的结构需具有足够的横向刚度，应尽可能将柱布置在同一横向轴线上，以使柱与屋架或横梁组成横向框架(排架)结构体系。

图1 轴线尺寸计算图Fig.1 Calculation of Axis Dimension

2 柱类型与截面选型

重型单层钢结构厂房的荷载大，结构高度高，柱子需采用阶形格构式柱，一般由实腹上柱和格构式下柱组成，上柱和下柱之间用肩梁连接。格构式下柱需设吊车肢，以便吊车梁直接支承在吊车肢上，以确保重型吊车的运行安全。柱的截面高度一般按1/15～1/10的柱高确定，柱的截面宽度一般取1/30～1/20平面外支点之间距离，并且为柱截面高度的1/4～1/2，典型重型单层钢结构厂房柱形式见图2。

3 合理的结构受力体系

重型单层钢结构厂房的结构受力体系由横向结构和纵向结构组成，它们和吊车梁结构体系(吊车梁及其制动桁架)、柱间支撑、房屋外围墙架、屋盖结构体系等共同组成空间骨架。

横向结构受力体系是由柱和屋架(或横梁)组成的横向框架(或排架)结构，它是厂房的基本承重结构，承受屋面荷载、横向风荷载、地震作用和吊车的竖向及横向水平荷载。横向框架(或排架)结构的柱脚通长采用刚接柱脚，当地基易沉陷时柱与屋架(或横梁)的连接宜铰接，地基较好时宜采用刚接。

纵向结构受力体系由柱、托架(用于大柱距)、柱间支撑、吊车梁等构成。其作用是保证厂房的纵向刚度，承受纵向荷载(纵向地震力、纵向风荷载、吊车纵向制动力)，并将其传给基础。纵向结构需在柱顶设置通长的刚性杆，每个柱列在厂房结构单元两端的开间内设置上柱支撑，在厂房结构单元的中部区段同时设置上柱支撑和下柱支撑。当设防烈度为7度结构单元长度＞120 m;8度、9度结构单元长度＞90 m时，需在柱列中部均匀设置两道上柱支撑和下柱支撑，并且其间距需≤0.6倍容许纵向温度区端长度。由于重型单层钢结构厂房柱的截面高度高，柱间支撑需设置为双片支撑，上柱沿柱两翼缘内侧设置，下柱沿两柱肢设置，柱间支撑的倾角一般控制在30°～50°。典型的纵向抗侧力结构体系见图3。

图3 纵向抗侧力结构体系图Fig.3 Longitudinal Lateral Resistant Structure System

4 合理的屋盖类型与屋盖支撑

重型单层钢结构厂房的跨度及柱距均较大，屋盖类型一般采用钢屋架承重的有檩轻型屋盖，其受力结构一般由钢屋架、檩条、支撑(含系杆)、托架组成。在重型单层钢结构厂房屋盖结构设计中，屋盖支撑对屋盖结构安全和对厂房的用钢量起着非常重要的作用，屋盖支撑的设置原则:①要能可靠的传递水平力;②保证屋盖结构的几何稳定、整体刚度、空间整体性，为杆件提供侧向支承;③保证结构安装时的稳定。

重型单层钢结构厂房屋盖设计时建议将钢屋架设计成上承式屋架，相应的将水平支撑布置在传递屋架支座反力平面的屋架上弦平面内，屋架下弦平面则布置系杆为屋架下弦提供侧向支承，以减小弦杆平面外的计算长度。由于重型单层钢结构厂房的开间较大，为了节约支撑系统的用钢量，屋架上弦平面可以用檩条兼作水平支撑中的直撑，让支撑杆件与檩条组合成组合支撑，而对屋架下弦的通长系杆则可用檩条两端设置隅撑来代替。通过上述方法，减小了支撑杆件的计算长度，从而减少屋盖支撑系统的用钢量。组合支撑形式及隅撑代替通长系杆的方式见图4。

图4 组合支撑及隅撑示意图Fig.4 Schematic of Combination Support and Bracket

5 保证结构计算分析的准确性

重型单层钢结构厂房需进行横向及纵向结构计算分析，可选用PKPM系列的重型厂房STPJ软件进行计算分析。由于计算分析由计算机完成，计算分析的准确性主要取决于计算模型、输入数据、参数的完整性和正确性。针对重型单层钢结构厂房结构的计算分析，需重点注意以下问题;

(1)应根据厂房的竖向布置(等高或不等高)、起重机设置、屋盖类别等情况，采用与厂房结构实际工作情况相适应的计算模型计算。平面规则、抗侧刚度均匀的轻型屋盖厂房可按平面框架计算，否则需采用考虑屋盖弹性变形的空间分析方法计算。

(2)重型单层钢结构厂房的阻尼比与其它的钢结构房屋不同，《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》规定单层钢结构厂房的阻尼比取0.045～0.05，结合重型单层钢结构厂房的结构特点，建议阻尼比取0.045。

(3)规范未规定单层钢结构厂房的抗震等级，由于重型单层钢结构厂房的高度＜50 m，根据以往的震害统计，单层钢结构厂房的震害较轻，笔者建议按《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》第8.1.3条，房屋高度＜50 m的情况确定结构的抗震等级。

(4)由于钢结构构件上有加劲肋、连接节点板、连接螺栓等，由设计选用的截面计算出的自重需乘以增大系数。对于阶形柱上柱乘以1.1;格构式下柱及屋架乘以1.4;轻中级工作制吊车的吊车梁乘以1.2;重级工作制吊车的吊车梁乘以1.4。

(5)格构式下柱支承吊车的吊车肢，当吊车梁支座为平板式支座时，应计入由于相连两台吊车支座反力差所产生的在框(排)架平面外的弯矩对吊车肢的影响。吊车肢平面外的纵向弯矩My=(R1－R2)C，式中R1，R2为相连两吊车梁最大支座反力，C为吊车梁反力中心线至柱中心的距离。

(6)应考虑围护结构对厂房结构刚度的影响进行结构自振周期的修正。根据《JGJ 99－98高层民用建筑钢结构技术规程》的规定，钢结构房屋的周期修正系数为0.9。由于重型单层钢结构厂房仅四周设围护墙，同时屋盖以及维护墙一般采用压型钢板或压型钢板面夹芯板，为轻质材料，其刚度较小，建议重型单层钢结构厂房的周期修正系数取0.95。

(7)需严格按《GB 50017－2003钢结构设计规范》第5.3.4条确定阶形柱平面内的计算长度，并考虑空间作用对计算长度的折减。由于重型单层钢结构厂房一般采用有檩轻型屋盖，计算长度的折减按非大型砼屋面板的情况按规范确定。单跨有纵向屋盖水平支撑时取0.8，单跨无纵向屋盖水平支撑时取0.9，多跨有纵向屋盖水平支撑时取0.7，多跨无纵向屋盖水平支撑时取0.8。平面外的计算长度则取支承点之间的距离。

(8)由于厂房的纵向主要由柱间支撑抵抗水平地震作用，柱间支撑在地震力作用下有可能屈曲状态，也可能不屈曲状态，这两种状态下与柱间支撑相连的柱子受力差异较大，在纵向柱列计算时应计入柱间支撑杆件屈曲的地震作用效应。

(9)8度时跨度＞24 m的屋架、9度时跨度＞18 m的屋架、8度与9度时支承跨度＞24 m屋架的托架以及设备荷载较大的屋盖横梁(屋架)需计算竖向地震力的作用。

6 合理确定控制指标

在重型单层钢结构厂房设计中需重点控制结构构件的长细比、柱的水平位移、受弯构件的挠度等，应重点控制以下指标:

(1)根据《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》规定，柱轴压比＜0.2时其长细比≤150，轴压比＞0.2时其长细比由于柱子是厂房最重要的承重构件，同时为了确保结构刚度，建议将重型单层钢结构厂房柱长细比控制在60～100范围。

(2)柱的缀条、吊车梁以下的柱间支撑、桁架的受压杆件规范规定容许长细比为150，考虑到重型厂房柱有重级工作制大吨位的吊车，同时屋盖一般悬挂有检修吊车所用的单轨吊，为了防止刚度过小引起震颤带来的不利影响，建议长细比≤120。

(3)屋盖支撑、吊车梁以上的柱间支撑压杆则按规范规定的容许长细比200控制。钢屋架下弦杆、重级工作制吊车桁架的下弦杆一般为拉杆，按《GB 50017－2003钢结构设计规范》第5.3.9条中有重级工作制吊车的情况控制长细比，其拉杆的容许长细比钢屋架下弦杆为250，重级工作制吊车桁架的下弦杆为200。屋盖支撑的拉杆建议按350控制。

(4)由于厂房的纵向主要由柱间支撑抵抗水平地震作用和耗散地震能量，柱间支撑是震害多发部位。柱间支撑应保证能通过节点连接有效传递地震作用，柱间支撑与构件的连接≥支撑杆件塑性承载力的1.2倍，支撑杆件的截面应力比≤0.75。

(5)厂房框(排)架的板件宽厚比的限制是保证厂房框架(排)延性的关键指标之一，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。由于重型单层钢结构厂房采用轻型屋盖，按《GB 50011－2010建筑抗震设计规范》的规定，轻型屋盖厂房塑性耗能区板件宽厚比限制可根据其承载力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外板件宽厚比限制可采用现行《GB 50017－2003钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值。

(6)重型厂房有大吨位的吊车，并且一般为重级工作制，需控制吊车梁顶面处由一台最大吊车水平荷载所产生的横向位移不超过Hc/1 250，纵向位移不超过Hc/4 000，且在风荷载作用下的柱顶位移不超过H/400(Hc为基础顶至吊车梁顶面的距离，H为柱总高)。

(7)受弯构件的挠度值按下列要求控制:吊车梁以及吊车桁架不超过l/1 200，屋盖桁架在所有荷载作用下不超过l/400，在活载作用下不超过l/500，抗风桁架(作为连续支柱的支承时)不超过l/1 000，带有玻璃窗的横梁(竖向和水平方向)不超过l/200。若为了控制受弯构件的挠度而计算出的构件应力比过小，在不影响使用和观感的前提下，可对上述容许挠度值进行适当调整和对受弯构件预先起拱，以节约投资。

7 结语

重型单层钢结构厂房有其自身的结构特点，在满足工艺配置和使用要求的前提下厂房的跨度取24～36 m;开间尺寸取12 m;采用由设有吊车肢与屋盖肢的阶形格构式柱和屋架构成的横向结构受力体系;采用由柱、托架(用于大柱距)、柱间支撑、吊车梁等构成的纵向结构受力体系;采用经济合理的屋盖支撑系统和屋盖支撑形式;采用PKPM系列的重型厂房STPJ软件进行计算分析，并正确确定计算模型、计算参数、系数和合理确定控制指标，最终确保厂房结构的安全和经济。

[1]中华人民共和国住宅和城乡建设部.GB 50011－2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50017－2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[3]钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册第3版[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[4]包头钢铁设计研究院，中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算第2版[M].北京:机械工业出版社，2006.

Features of Structure Design for Heavy Monolayer Steel Structure Workshop

MIAO Hong－wen
(Kunming Engineering＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

In metallurgical industrial workshop design，in order to meet the production requirements，a crane of lifting weight more than 100tons will be set up in the plant which belongs to heavy workshop.In light of the of heavy plant characteristics and combined with the requirements of relevant standard and design experience，key points for the design and matters which should be paid attention to were elaborated so as to insure the safety and economy of workshop structure.

factory building;steel structure building;architectural design

TU391

A

1004－2660(2012)01－0039－05

2011－01－23.

缪洪文(1966－)，男，云南人，工程师，国家一级注册结构工程师.主要研究方向:重型钢结构厂房设计.E－mail:503278177@qq.com