多层钢结构工业厂房设计分析

多层钢结构工业厂房设计分析

多层钢结构工业厂房设计分析

【摘要】：近年，随着我国经济建设的迅速发展，多层轻型钢结构厂房以其自重轻、用钢量少、抗震性能好、施工速度快等特点获得了广泛应用，具备相当的竞争力．

【关键词】：多层钢结构;工业厂房;设计

中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：

引言

随着我国科学技术和社会经济的发展,多层钢结构工业厂房以其特有的性能及结构特征,得到了越来越多的研究。多层钢结构工业厂房不仅美观大方,而且所需构件的截面小；抗震性能好，自重轻；基础造价降低, 基础负载小；可在工厂大量生产钢结构构件,施工迅速；环境破坏程度小,材料的循环利用率高,达到了绿色建筑的要求,具有十分显著社会经济效益，属于绿色节能建筑，因此有着广泛的应用前景。

一、多层钢结构工业厂房的特点

(1)荷载类型多。集中荷载主要包括设备自重,有时还需要考虑其振动的影响。楼面上还有较大均布荷载。(2)荷载大。工业厂房的设备一般都在数十吨以上,楼面荷载达2.5～20 kN /。(3)层高高,柱距布置应与工艺协调。多层工业厂房为了满足工艺要求,层高一般为4～8 m;柱距6～12 m,特殊工艺要求的柱距在18 m以上。(4)楼面开孔大,质量刚度分布不均匀。工业厂房很多大型设备从基础开始上下贯通达十几米甚至几十米,再加上一些地方由于生产工艺的需要,往往

造成楼面大面积开洞,形成结构上的错层现象,也造成厂房质量和刚

度沿高度分布不均匀,在地震作用下,往往可能发生扭转的现象。

二、多层钢结构工业厂房的设计理念

1 整体化设计理念

1.1 建筑结构设计整体化

先建筑后结构是传统钢结构建筑的设计理念,而多层钢结构工业厂房由于其先进的设计软件和特殊的材料,得以使设计程序实现建筑结构一体化设计,即结构设计与建筑设计同时完成。目前, 国内的大多数设计院建筑设计按传统设计方式进行,很难完整地表现其建筑风格。但国外知名的设计公司都是遵循这样一条理念，因此，仍存在有待进一步转变观念的问题。

1.2 围护系统与主体结构设计整体化

按围护系统与主体结构分开设计，是国内设计的基本原则,而统一进行设计才是正确的做法。

2 截面优化设计理念

(1)优先选用厚度较薄的截面:使用相同用钢量，下截面具有较大的刚度。还需注意的是规范中规定的最小截面。规范GB50017规定,一些钢结构的受力构件不宜采用如:厚度小于4mm的钢板；厚度小于3mm钢管。(2)凡需用支撑杆件与C级螺栓相连接的屋架杆件角钢的边长,必须注意其所能采用螺栓的最大直径。(3)多层工业厂房不宜使用超过5种规格的角钢品种，目的是便于备料。当两种规格尺寸相近时, 为减少规格数量，宜尽量进行其统一使用。

三、多层钢结构工业厂房设计原则

具体而言，设计多层钢结构工业厂房需要遵循以下几个原则：第一，建筑结构设计的整体化。多层钢结构工业厂房的设计与传统的钢结构建筑设计不同，后者是遵循的是先建筑后结构的原则，而多层钢结构则采用特殊的材料结合先进的设计软件，所以可以实现建筑设计与结构设计的同步完成，即建筑结构一体化设计，采用这种方法可以将建筑风格更完整的表现出来。此外，围护系统与主体结构的设计也要统一进行。第二，优化截面设计。在选择截面时优先选择厚度薄的，因为在用钢量相等的条件下，截面越大刚度也就越大，并且不能忽略相关规范中最小截面的问题；如果屋架杆件角钢的边长需要利用C 级螺栓连接支撑杆件，则要注意螺栓最大直径的选择；此外，为了备料方便，多层钢结构工业厂房所采用的角钢品种、规格最好控制在五种以内，如果两种规格的尺寸比较接近，可以尽量代用统一规格。

四、多层钢结构工业厂房的设计要点

多层钢结构工业厂房的特点决定了厂房设计需要结合实际需要，全面考虑各项影响因素，在多层钢结构工业厂房设计中，应该从以下要点上着手。（1）在多层钢结构工业厂房设计中，其结构体系是极其重要的，不仅发挥着框架的作用，同时也直接影响厂房的安全性与可靠性等。所以，设计人员应该根据实际情况，如厂房的层数、层高等因素，选择适宜的结构体系。常见的结构体系为框架结构体系、框架―剪力墙结构体系等，在厂房空间较大情况下，可以采用框架结构体系，在层数较多的情况下则可以采用框架―剪力墙结构体系；（2）框架横向与纵向两个方向的控制也是很重要的，在设计过程中，需要注意横纵向抗震能力大致相同，以保证结构的稳定性与经济性。另外，根据外界环境因素，应该有选择地设计防震缝与收缩缝，适当提高配筋率，以利于提高厂房的实际质量。

对于多层轻钢厂房, 框架梁柱不仅应满足钢框架整体稳定性与

钢架柱构件稳定性要求, 同时还要满足承载力要求。此外对主钢架整体横向刚度的检验也是非常重要的, 具体要求如下: (1) 间相对位

移与层高比不宜大于1/ 400; （2) 风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/ 500; (3) 在常遇地震作用下层间侧移不超过楼层高度1/ 250;(4) 顶层的层间位移可取1/ 50, 但是为了与下层刚架柱保持一致, 应取1/ 200。

五、多层钢结构工业厂房的设计

1 常用的结构体系

具体而言，多层钢结构工业厂房设计的常用结构体系包括以下几种：第一，纯框架体系，即将厂房无需设置柱间支撑，其纵横两个方向均设计为刚接框架。第二，框架- 支撑体系，该结构的横向设计为刚接框架，纵向设计则为柱- 支撑体系，其主要目的是通过柱间支撑将水平荷载抵消掉。第三，钢架加支撑的混合体系，与第一种结构体系不同，钢架加支撑混合体系是将纵向设计为钢架与支撑混合的形式，二者共同作用抵抗水平力。

2 柱网布置与支撑体系

在进行柱网布置过程中需要遵循以下原则：与生产工艺、厂房的正常使用要求相符；保证建筑、结构的经济性与合理性；采用先进的

施工方法；与厂房建筑统一化；适应工厂的生产发展与未来的技术革新等。支撑体系中，中心支撑与偏心支撑是最重要的柱间支撑。通常多层钢结构工业厂房最好选择中心支撑，K 型支撑则最好不要用。不过如果厂房处于强震区域，则最好采用偏心支撑，这种支撑形式的延性与耗能能力相对较好。

3 楼盖布置

楼盖的类型包括压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板、装配整体式预制钢筋混凝土楼板、装配式预制钢筋混凝土楼板以及普通的现浇混凝土楼板等。各种楼板形式不同，其优缺点也有所不同：比如压型钢板现浇钢筋混凝土的组合楼板整体刚度相对较好，但是成本也比较高；而压型钢板现浇楼板以及装配整体式预制钢筋混凝土楼板的施工效率比较高。对于多层钢结构工业厂房而言，压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板比较适用。

4 设置变形缝

变形缝主要有三种，即伸缩缝、沉降缝以及防震缝。如果厂房的长宽过大，外界气温环境发生变化时，结构内部会产生温度应力，该应力可以拉裂墙面、屋面，对建筑结构的正常使用产生影响。而设置伸缩缝即是将厂房分为数个温度区段，可以有效的抑制温度应力对结构的影响。设置伸缩缝时要从基础顶面做起，分开两个温度区段的上部结构，预留相应宽度的缝隙，这样一旦气温发生变化，上部结构也可以沿着水平方自由变形。

六、利用软件对结构内力进行分析

利用软件对结构内力进行分析时要注意以下几点：第一，网格生成平面简化。对于网格布置比较复杂的工业厂房而言，如果完全根据实际情况利用软件建模，则会产生大量的近节点，从而影响到分析结果的准确性，要在与实际出入不大的情况下采取相应的简化手段。第二，柱间支撑并不是简单的构造措施，在软件分析时其属于一种受力杆件，厂房纵向周其与水平位移受支撑刚度的直接影响。如果结构中包括柱间支撑，但是采用纯框架模型分析，则无法保证地震力评估的准确性，并且纯框架模型的侧移相对较大，因此柱的用钢量有可能会大于有支撑的结构计算模型。第三，通常工业厂房的都有较大的楼板