钢管混凝土厂房结构设计

连云港某单层钢管混凝土双肢格构柱钢结构厂房结构设计

摘要：钢管混凝土是一种具有承载力高、塑性和韧性好、节省材料、方便施工等特点的新型组合结构材料，已在工业和民用建筑等工程中应用多年，取得了较好的技术经济效益。本文结合具体实例对钢管混凝土重型厂房的特点和设计要求进行解析，以供结构设计人员参考。关键词：钢管混凝土双肢格构柱重型厂房钢结构设计

冶金工厂和重型机械工厂的重型工业厂房，吊车起重量大，作业频繁，因此主要承重骨架全部采用钢结构。厂房骨架是由柱、梁（或桁架）和支撑等相互联系而成的空间体系，具有足够的强度、刚度和稳定性，以承受来自屋面、墙面、吊车等各种竖向及水平荷载，并向基础传递。为了计算简化，厂房结构常采用横向平面框（排）架和纵向结构两个相互独立的体系。这种体系由柱子系统、吊车梁系统、屋盖系统、封墙系统组成。由柱和屋架组成的横向平面框架是厂房最基本的承重结构，绝大部分荷载都通过它传给基础。

一、工程概况及结构布置

1.工程概况

本工程为江苏宝通镍业(集团)有限公司矿热炉、烧结厂房、生活辅房及配套工程中的炼钢车间，采用全钢结构。该炼钢车间为二跨等高厂房，每跨内设2台50tA7重级工作制软钩吊车，轨面标高均为18m，厂房檐口标高22.8m，柱距12m。厂房下柱采用圆管混凝土斜腹杆双肢格构柱，上柱采用实腹式等截面焊接工字型柱，屋架采用实腹式变截面焊接工字型梁，屋面梁与钢柱为固接。在每跨屋脊处沿厂房纵向设通风气楼。建筑平面尺寸:48.5mx216m，建筑结构的设计使用年限是50 年，抗震设防烈度为7度，设计地震加速度0.1g，抗震设防类别为丙类，场地类别为四类，设计的基本风压为0.55KN/ m2，地面粗糙类别为A 类。结构计算采用PKPM的钢结构重型厂房设计软件STPJ。

2.结构布置

厂房立面简图如下：

（1）柱子系统。厂房下柱采用螺旋焊接管￠500x10双肢格构柱，边柱两肢管的中心距离1500mm，中柱两肢管的中心距离为2000mm，斜腹杆均采用￠159x6，除斜腹杆外下柱均灌注C40素混凝土。厂房上柱采用实腹式焊接工字型柱，边柱截面H1000X350X12X16，中柱截面H1000X350X14X18，厂房上、下柱的钢材材质均为Q345B。

在厂房纵向两端及设置下柱支撑的柱间设置上柱柱间支撑，采用双片槽钢“人”型支撑，缀条采用L75X6角钢；在厂房纵向1/3处设置下柱柱间支撑，采用双片圆管交叉支撑，缀条采用￠102x6圆管。在上下柱交接处设置肩梁，上柱吊车梁顶面标高处设人孔，中柱肩梁和人孔的节点见图1。

（2）吊车梁系统。12m实腹钢吊车梁及其辅助桁架、水平支撑、制动板参照标准图集选用，吊车梁材质采用Q345C。吊车梁采用突缘式支座，与厂房上柱的连接节点见图2

（3）屋面系统。根据屋面梁的受力特点，将屋面梁设计成变截面的形式，其截面为H(1000~850~1000)X300X14X16。屋面檩条采用高频焊接H型钢(H400X150X4.5X6)，间距不大于3m，通风气楼檩条采用焊接H型钢(H500X250X8X12)。屋面支撑结合檩条设置，其连接节点见图3。

（4）封墙系统。由于厂房柱距为12m,为了节省墙面檩条的用钢量，特在每个柱距中间设置一根墙架柱，其截面为H350X300X8X12，材质为Q235B。这样一来墙面檩条可按照6m跨度计算，其截面为C200X70X20X2.5, 材质为Q345B。

二、计算分析

1.厂房柱的长细比和厂房柱、梁的宽厚比

抗规规定，“对于单层厂房框架柱的长细比，轴压比小于0.2时不宜大于150；轴压比大于0.2时不宜大于120（235/fay）。”具体到本例，厂房上下柱的轴压比均不大于0.2，所以长细比可由150控制。根据计算结果，下柱最大长细比为121,上柱最大长细比为94,均满足规范要求。

板件的宽厚比，是保证厂房框架延性设计的关键指标，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。抗规规定，“对于轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比可根据其承载力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值。”，对于上述规定如何理解并正确用于计算，抗规条文说明给出了明确的解释“当构件的强度和稳定承载力均满足高承载力——2倍多遇地震作用下的要求（r G S GE+ r Eh2S E

对于H型、工字型截面的轴心受压构件和压弯构件，当腹板的高厚比不满足钢规第5.4.2条或5.4.3条的要求时，可以根据腹板屈曲后强度的概念，取与翼缘连接处的一部分腹板截面作为有效截面来计算构件的强度和稳定性（计算构件的稳定系数时，仍用全部截面），以本工程边上柱为例，腹板高厚比 H0/TW= 80.67 > [H0/TW]= 47.21，当采用有效截面计算后，强度和稳定计算的最大应力均满足规范要求。

2.插入式柱脚设计

当钢柱直接插入混凝土杯口基础内用二次浇灌层固定时，即为插入式柱脚。这种柱脚

具有构造简单、节约钢材、安全可靠等特点。表1为钢规，抗规对钢柱插入杯口的最小深度

的要求汇总。本工程综合计算考虑后插入深度定为1500mm,满足表1的要求。考虑到柱底力

比较大，柱脚插入部分设置了栓钉详见图4。

表1

注：hc为柱截面高度，bc为柱截面总宽度，dc为圆管柱的外径。

3.肩梁设计与计算

肩梁可近似按照简支梁计算,仅验算肩梁的强度。肩梁承受其顶面处上段柱柱底的弯

矩M和轴心压力N，当吊车梁为突缘支座时，尚需考虑两侧吊车梁对柱的最大压力Rmax的

作用，肩梁的计算简图如下图：

其中a为肩梁腹板的长度，a1为上柱等效分肢的形心间距，A1,A2为上柱等效分肢的

面积。Ra和Rb为支座处的反力，可由F1,F2求得。目前等效分肢面积是这么确定的：对于

组合截面，即分肢面积；对于实腹截面，则考虑除去中间腹板以后的两分肢面积。F1,F2可

按照下式计算：F1=M/a1+N*A1/(A1+A2) F2=-M/a1+N*A2/(A1+A2)

上柱传递的内力可以简化为两个集中力F1和F2，作用在翼缘两侧，由此可以求出作

用在肩梁上的弯矩和剪力。肩梁的抗弯计算采用如下公式：Mmax/Wn

最大弯矩，取Ra*La和Rb*Lb的较大值。肩梁的抗剪计算采用如下公式：VmaxS/(In*tw)(考虑吊车影响时加入尖括号项目)；当吊车梁为平板支座时，Vmax 为