李阳
(广东省机电建筑设计研究院)
【摘 要】本文通过工程实例对重型钢结构厂房结构设计中的一些要点进行阐述。
【关建词】重型钢结构厂房；支撑系统；钢架计算
韶关某非标钢结构多跨(高低跨)单层铸件生产厂房,总面积约1.7万m2,建筑设计使用年限50年,结构安全等级为二级,抗震设防分类为标准设防,抗震设防烈度为6度,设计地震分组为第一组,场地类别为二类,设计地震特征周期0.35s，基础采用复合载体夯扩桩(混凝土独立桩承台),桩端持力层为粉质粘土。
厂房标准跨为三跨(1～18轴)柱距为15m,边跨跨度为24m(柱高26.93m)，中间跨跨度为27m(柱高33.23m)。建筑总长度约240m,建筑总宽度约为78m。厂房边跨设两台起重量100t吊车(轨顶标高21.00m)；中间跨设置双层吊车,上层设一台起重量160t和一台起重量125t吊车(轨顶标高21.00m)，下层设两台起重量50t吊车(轨顶标高14.50m)，吊车均为重级工作制。中间跨屋面设置屋顶气楼,高低跨两侧设通长通风口。屋面和墙面维护结构均采用轻质压型钢板。(见图1)
2.1 荷载取值
厂房屋面恒载考虑压型钢板厚度(含保温棉)及檩条、支撑、拉杆、吊挂等按0.5KN/M2取值,屋面活载取值按0.3KN/M2(钢架计算)，0.5KN/M2(檩条计算),屋面积灰荷载取值按0.5KN/M2，基本风压取值按0.35KN/M2。钢架计算时风荷载体型系数按《建筑结构荷载规范》(以下简称《荷载》)取值；由于屋面和墙面采用压型钢板等轻型材料做围护,檩条墙梁体型系数按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(以下简称《门钢》)取值。吊车荷载及屋面气楼按相关荷载计算后以节点集中力输入计算模型。
2.2 钢架截面
图1
厂房横向A、D轴柱下柱采用双工字型格构式柱2H700×400×16×20,肢距1.8m,横缀条和斜缀条均采用TM122×175，上柱采用焊接H型钢柱H700×400× 14×16；C、D轴柱下柱采用双工字型格构式柱2H700× 400×20×24,肢距2.4m,横缀条和斜缀条均采用TN200×200,上柱采用焊接H型钢柱H700×400×18×22.A-B和C-D跨屋面梁采用焊接H型钢H(1000～800)×250×10×12；B-C跨屋面结构采用钢结构桁架,上下弦杆采用焊接H型钢 H300×200×6×10,下弦位置与高低跨屋面钢梁对齐,可减少高低跨错位对中柱产生的内力。屋面采用压型钢板轻型屋盖,根据《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》)按”低延性,高弹性承载力”2倍多遇地震作用下的性能设计要求,构件宽厚比采用《钢结构设计规范》(以下简称《钢规》)弹性设计阶段的限值,即C类。
厂房纵向柱距为15m,柱顶设置钢桁架托梁支撑中间次梁,因篇幅有限,不再敷述。
该厂房为纵横向钢排架结构，计算采用PKPM系列重型钢结构厂房计算软件STPJ，计算模型分别按横向和纵向平面钢架计算。构件平面内计算长度按《钢规》由程序计算确定,平面外计算长度按《钢规》取平面外支撑点的距离。由于厂房较高,吊车荷载大,柱的长细比控制150,强度应力比控制在0.6～0.7,稳定应力控制在0.65～0.75，屋面梁及屋面桁架考虑活荷载不利布置，强度应力控制在0.7～0.8,稳定应力控制在0.75～0.85。钢梁腹板设置横向加劲肋以确保腹板的局部稳定，屋面梁挠度按恒载和活载标准值计算绝对挠度按1/250确定；风荷载标准值作用下柱顶位移按1/400确定；在一台最重吊车荷载作用下柱顶位移按1/1250(横向)和1/4000(纵向)确定。
吊车梁均采用实腹式焊接工字钢梁,由于吊车吨位较大,截面较高,吊车上翼缘走道板均采取按制动板设计,抵抗吊车横向水平制动力；另外在吊车梁下翼缘设置水平桁架,并再吊车梁1/3跨度处设交叉支撑,以增加吊车梁的整体稳定性；吊车腹板设置横向和纵向加劲肋,以保证吊车梁的局部稳定性。吊车梁设计严格按照《钢规》相关要求进行计算,并补充制动梁强度、挠度及稳定等计算,考虑到吊车的吨位和跨度较大,吊车梁的挠度按1/1400控制,制动梁挠度按《钢规》1/2200控制。
5.1 柱间支撑
该厂房总长度约240m,根据《钢规》及工艺需求在距离一端约100m处设置伸缩缝,厂房分为两个温度区段。根据《钢规》和《抗规》相关要求,分别在两个温度区段的1/3处设置上柱和下柱支撑,采用十字交叉支撑,材料为直径180mm的焊接钢管。
5.2 屋面支撑
厂房的屋面支撑系统主要用于保证屋面刚度和厂房的整体性,对于有重型吊车的轻型钢屋面尤其重要。该厂房为高低跨屋面,三跨屋面分别独立设置屋面支撑系统,横向支撑设置在厂房山墙端跨、伸缩缝和柱间支撑处；纵向柱间支撑设置在低跨横梁梁端和高跨桁架两端并沿屋盖纵向全长布置,与横向支撑围闭。另外在中间跨屋面天窗位置设置两道纵向水平撑杆，屋面支撑构件均采用十字交叉钢管支撑,按受压构件设置,长细比按200控制，中间跨桁架支撑构件根据《钢规》和《抗规》相关要求设置。
该厂房吊车吨位较大,高度较高,节点设计首先应保证连接的安全可靠,同时尽可能地简单方便,以减少施工和加工难度。
6.1 柱脚
采用插入式柱脚,插入杯口深度1.5m,并根据工艺技术要求地面以上1m采用钢筋混凝土包裹,以防止碰撞。根据计算内力,柱脚与基础的连接也可采用靴梁式钢结构柱脚,但因其用钢量较大,且加工和施工难度较大,而未采用。
6.2 梁柱连接
一般的门式钢架的梁柱连接通常采用高强摩擦型螺栓端板连接,这种节点加工和施工都很方便,但这种连接为半刚接连接,对于有重型吊车的厂房应采用更可靠的刚性连接方式。考虑到高空施工的工作环境,该厂房采用腹板高强摩擦型螺栓连接,梁翼缘对接焊的连接方式，并把连接节点外移至柱边1.5m处,1.5m范围内的钢梁与柱则先在工厂加工焊接后直接运往现场。
6.3 肩梁
肩梁是上柱与下柱连接的重要构件,一般厂房的上柱吊车设置在格构柱的柱肢上,肩梁主要承担由上柱传下来的荷载。该厂房的肩梁采用单腹板式,其构造简单施工方便,肩梁的计算近似可按照简支梁验算,上柱翼缘开槽插入肩梁腹板中并用剖口等强对接焊缝连接，肩梁的高度一搬取下段柱肢截面高度的0.4～0.6倍,本工程1.8m肢距柱的肩梁高度为0.9m,2.4m肢距柱的肩梁高度为1.2m。
单层钢结构工业厂房的设计理论上应按纵向和横向框架组成的整体空间结构体系进行计算,但由于计算复杂、工作量大,实际分为了纵向和横向平面框架分别计算。因此这类厂房,除了满足内力计算外,为了保证厂房的整体刚度和稳定性,必须按规范要求布置屋盖支撑、柱间支撑及其他辅助支撑,并满足构件的长细比要求,使各个方向的平面框架连成空间体系。对于有重级工作制的吊车的重型厂房,其构件应力、长细比等控制应留有余地,建议其控制幅度在0.6～0.8范围内,可根据构件的重要性,荷载受力情况取值。
该厂房已于2012年建成并投产使用至今。本文仅将厂房设计时的一些做法、建议供设计人员参考,尚有不足之处,还请读者提出指正。●
【参考文献】
[1]GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］.
[2]GB50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.
[3]GB50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.
[4]CECS102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］.
[5]GB50017-2003，钢结构设计规范［S］.
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