简述工业厂房钢结构体系设计思路

简述工业厂房钢结构体系设计思路
摘要:我国社会经济的飞速发展，带动着我国工业经济的快速增长，各行业的厂房设计都在朝着大跨度、大柱距以及大吨位的方向发展。

那么因为钢结构建筑具有自重轻、承载力强的特点，在大型工业厂房建设中均得到了广泛应用。

以下主要简单介绍了工业厂房的特点及其设计发展经过，简要的探讨了工业厂房的结构体系。

以期通过本文的阐述对促进大型钢结构工业厂房建设提供参考。

关键词:工业厂房；钢结构；体系；设计
0引言
我国国民经济的高速运转，让我国的钢铁产业得到了一个大的舒展机会，跟随着经济的高速增长，其发展也是十分地迅速。

钢材产量和质量不断提高,价格逐步下降,钢结构的造价也相应有较大幅度的降低,对钢结构厂房来说,更是具有建设周期短,投入生产快,可尽早收回投资成本,钢结构厂房以其优越的结构性能和良好的综合经济效益,广受企业的青睐,在现代工厂设计中得到越来越多的采用。

由于各行业工艺条件的要求不同,工业厂房的平面布置、立面布置具有许多不同的形态,相应的结构体系也就大相径庭。

比如说:我国的上海宝山钢铁厂1期和2期工程钢结构建筑面积就达105万m2。

厂房结构基本上为单层框架或排架体系。

其中部分厂房高度大,有的车间柱高达50m;面积大,有的厂房单体建筑面积达22.4万m2;无缝钢管厂跨度和柱距最大48m,最多的连跨为8跨(无缝钢管和连铸厂),最大长度为1215.6m(热轧厂);吊车起重量大,最大450t(连铸厂);而厂房围护结构则很轻,全部采用彩色涂层压型钢板或铝合金压型板,自重8kg/m2～1 5 k g / m2 等等其他的厂房。

那么尽管工业厂房的类型多样,但总的来说有以下共同点：(1)结构跨度大、柱子高、有起重量很大的吊车设备。

为了传递较大吨位的荷载,提供较大的结构刚度,主要承重构件截面大,采用的钢板较厚，较多采用格构式构件,以减少材料用量；(2)生产过程的磨损和损伤与其他钢结构建筑相比,可能对结构尺寸的决定起较大作用；(3)在设置重级工作制吊车的厂房中,疲劳损伤及相关设计成为重要课题。

一、我国工业厂房结构设计的发展
对于设计前期的重要决策来说，结构体系的布置绝对可以说是其重要决策工作之一，一个优秀的建筑设计,必须要拥有一个好的结构形式才能得以实现,因为结构形式的好坏,会直接影响到建筑物是否安全、适用、经济、美观。

由于不同的结构形式具有不同的静、动力学特性,结构形式一旦确定,也就从宏观上控制或决定了结构的整体形态以及结构的整体强度、刚度、延性、抗震能力、抗风能力、经济性能甚至说是社会性能等各方面的性能特征。

很长一段时间内,我国工业厂房普遍采用装配式钢筋混凝土结构,这符合当时我国钢材不足,劳动力充足的特点。

实践证明这种结构具有许多优点:节省钢材,构件统一化、工厂化,大型构件可以现场预制,减少高空作业,改善劳动条件等。

然而随着市场经济的发展和我国钢
产量的提高,这种结构显示出造价高、节点复杂、预埋件多、设计和施工周期长等缺点。

所以,装配式混凝土结构厂房的应用逐渐减少。

与混凝土相比,钢结构自重轻、工厂化程度高、环保、抗震性能好。

随着钢结构的发展,全钢结构厂房日益增多,发达国家大型工业厂房的主厂房基本上都采用钢结构的结构形式,近年来我国工业厂房中钢结构成为主体。

二、结构体系的布置原则
一般来说，良好地遵循工艺要求进行结构布置是所有工业厂房结构设计需要也是必须遵守的基本原则。

通过国内外关于工业厂房结构体系布置方面的文献便可以知道,钢结构厂房结构体系布置通常情况下满足以下原则:
1、工业厂房应由较短的、互不影响的和本身坚固的部件组成;
2、承受很大使用荷载的构件,不应分属几个静力体系,即不承担多个功能,以达到传力明确,便于设计;
3、对温度应力、支座沉降比较敏感的结构,应尽量采用静定结构,尽可能少采用或不采用超静定结构,以降低温度应力、支座沉降对结构的不利作用;
4、吊车梁和支撑系统的设置应尽可能具有较大的水平刚度,以应对可能出现的特殊荷载。

三、工业厂房结构体系剖析
工业厂房通常为单层,结构体系是由纵、横向构架和屋面联合组成的空间结构体系,为便于分析,将其分解为水平受力体系和竖向受力分体系。

1、水平受力体系
1)水平屋盖受力体系。

早期做法通常是采用钢屋架上铺钢筋混凝土大型屋面板的做法。

为增强屋盖系统的整体刚度,需要在厂房的周边增设封闭的上下弦水平支撑和纵向垂直支撑,增加了用钢量。

据有关资料统计,跨度为27m,柱距分别为6m,9m及12m三种平面桁架屋盖,其支撑系统所耗钢材分别为总用钢量的18.3％,36％及46％,支撑用钢量偏高。

工业建筑屋盖体系还可以采用空间网架方案。

网架结构是高次超静定的空间结构,整体性好,刚度大,网架各方向的杆件互为支撑,力的传递简洁合理,材料可得到充分利用。

背景工程为单层多跨厂房,二层的吊车轨顶标高为16m,若采用传统的屋架方案,屋架高度通常较钢梁高,为获得同样的厂房净高,必然要增加厂房的高度,多跨厂房宽度较大,受风面大,增加了高度就增大了风荷载的影响,厂房内的吊车对水平位移敏感,应尽量减少水平荷载的不利作用。

背景工程为单层不上人压型钢板屋面,屋面恒载和活载较小,采用实腹钢梁上铺压型钢板的方案时,钢梁的高度不会很大,不但空间效果好,而且免去繁琐的屋架构件吊装,节省劳动力,缩短工期。

2、另外工程上大致分为以下两类常用结构体系。

1)框(排)架——支撑体系。

即横向设计成刚(铰)接构架,纵向设计成柱支撑体
系,用柱间支撑抵抗纵向水平荷载。

这种体系的柱间支撑可能会影响使用。

这种形式特别适用于纵向较长,横向较短的厂房。

2)纯框架体系。

即厂房纵横两个方向都设计成刚接框架,不设置柱间支撑。

水平力由刚性构架承担,其优点是两柱间无支撑,便于工艺布置,使用空间不受支撑影响,但节点相对复杂,柱子截面较大,抗侧移刚度较小,当厂房高度和跨度较大时,用钢量较大,不适宜承受水平荷载较大或长期处于振动状态的厂房。

四、结束语
随着我国经济的不断发展，工业随之加速发展，钢结构工业厂房的应用势必将会越来越广泛。

本文对大型钢框架工业厂房设计进行了简单分析，随着应用的增多，钢结构设计也必将会日趋完善。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。