浅谈重钢结构厂房设计

浅谈重钢结构厂房设计
摘要：钢结构在国民经济的建设的应用很广，可以说遍及了各个行业，其中钢结构建筑工程是我建筑行业汇总蓬勃发展的一项既古老又崭新的行业，是环保绿色产品，是推动传统建筑业向高新技术发展的重要派头兵。

钢结构厂房具有总体轻、节省基础、用料少、造价低、施工周期短，跨度大，安全可靠，造型美观，结构稳定等优势。

关键词：重钢厂房吊车设计柱间支撑柱设计肩梁计算等
1、钢结构由于其独特的性能被广泛应用于建筑场合，在我国有着广阔的发展前景。

钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

说目前一般将钢结构分为轻钢、重钢和设备钢结构三种结构。

重钢：厂房行车起吊重量：>25吨；每平米用钢量：>_50KG/M2如：造船厂、石化厂房设施、轧钢炼钢车间、电厂厂房、大跨度的体育场馆等。

2、轻钢：主要承重结构为实腹门式刚架，具有轻型屋面和外墙，无吊车或吊车起重量不大于20吨，工作级别为中轻级的钢结构建筑。

3、设备钢结构是指大型设备中的钢结构部分，以下结构应可划入设备钢结构范畴：架桥机的塔架钢结构、NN2机的起重大梁、起重机车身、大型设备支架等。

一、工程概况
浙江德兴船舶工业有限公司小干岛船舶修造基地项目位于舟山小干岛南面。

分段车间为单层钢结构厂房，共三跨，24米+30米+24米，中间跨檐口标高为23.7米，两端跨檐口标高为15.9米。

车间中间跨通常设置双层吊车，上层为2台100t电动双梁桥式吊车，下层为2台30t电动双梁桥式吊车，两个端分别设置2台80t电动双梁桥式吊车和2台50t电动双梁桥式吊车，均为A5工作制。

二、吊车梁设计：
吊车梁设计应吊车厂家提供的吊车资料进行设计，具体步骤如下：
1、根据吊车资料，计算出吊车的最小轮压，
最小轮压=（吊车总重+吊车的吊重）/n-最大轮压
其中n为吊车一侧的轮子数。

2、吊车梁挠度的控制L/1000，根据《钢结构设计规范》GB50017-2003附
录A.
3、吊车梁制动系统设置，由于本工程吊车吨位较大且柱距较大，应设计吊车制动梁，制动梁计算可参照《钢结构设计手册》8.9.2条设计。

三、主刚架设计
1、确定厂房的高度及牛腿标高确定：厂房高度一般根据吊车工艺要求确定，一般计算原则为：
厂房的最小净高=吊车的最大吊高+吊车顶至吊车吊钩的高度+吊车运行高度。

牛腿标高=吊车梁的轨顶标高-轨道高度-吊车梁高度。

2、排架柱设计
选择柱截面尺寸，应满足下列要求：
1）房屋刚度要求：要按房屋的性质、跨数、柱距、高度、工业厂房的吊车起重量大小及工作制等因素确定。

2）构造上的要求：对于工业厂房应满足吊车跨度和吊车边缘净空尺寸的要求。

本工程吊车吨位非常大，厂房高度较高，根据工程经验，应设计为阶形格构式柱较经济合理，所以本工程中上层吊车牛腿以下采用格构式钢柱，以上采用实腹式钢柱。

格构式柱截面尺寸可根据《钢结构设计手册》表10-3选用，
中柱截面确定具体如下：
其中H为柱之全高，本工程约为28m.
查表α=
β=0.25~0.5
=2150mm~1580mm
取值h3=1700mm；
=425mm~850mm 本工程取b3=500mm；
边柱同理：h3=1200mm；b3=450mm；
柱长细比应满足《钢结构设计规范》GB50017-2003表5.3.8要求。

柱翼缘宽厚比、腹板的高厚比均应满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.4.1及5.4.2条要求。

主钢柱位移控制及主钢钢梁挠度控制均应满足《钢结构设计规范》GB50017-2003附录A的要求。

吊车荷载输入计算模型时，应采用吊车梁传给牛腿最不利组合的荷载。

采用PKPM的重钢结构设计模块进行内力分析设计
主刚架的荷载计算模型如下：
计算模型
四、柱间支撑设计
重钢厂房中，柱间支撑的设计非常重要，柱间支撑用以保证房屋的纵向稳定和空间刚度，同时承受厂房的端部山墙的风力、吊车的纵向刹车荷载、温度应力和地震作用，并将上述荷载传至基础。

1、柱间支撑的布置原则：
（1）a）应满足房屋的生产净空要求；b）应满足房屋的刚度要求；c）柱间支撑应与屋面支撑设置协调；d）每一个温度区段的每一列柱，一般应设置柱间支撑。

（2）下段柱的柱间支撑位置，决定纵向结构温度变形和附加温度应力的大小，因此应尽可能设在温度区段的中部，当温度区段长度大于120m时，可在温度区段中间三分之一范围内设置，两道支撑的中心距离不宜大于60m。

（3）上段柱柱间支撑，除在下段柱间支撑的柱距间布置外，为了传递端部山墙风力及地震作用和提供上部结构的纵向刚度，应在温度区段两端设置。

（4）阶形柱的下段柱柱间支撑，一般在两个柱肢内设置双片支撑。

上段柱高度小于1m，柱间支撑一般为单片支撑。

2、柱间支撑长细比控制：
吊车梁以下的柱间支撑，压杆长细比≤150，拉杆长细比≤300
吊车梁以上的柱间支撑，压杆长细比≤200，拉杆长细比≤400
十字交叉支撑一般可按受拉杆件设计，十字交叉支撑倾角一般为。

3、柱间支撑纵向水平荷载，可按下述原则确定：
（1）纵向风荷载：由房屋两端山墙传来的集中风荷载W；
（2）吊车的纵向水平荷载标准值Td，Td=0.1
-在同一柱列吊车梁上由两台起重量最大的吊车所有刹车轮的最大。

轮压之和。

（3）作用在房屋纵向的其他水平力，如管道设备的水平推力、纵向温度应力，地震作用产生的水平力等，按实际情况进行设计。

五、屋面支撑
为保证承重结构在安装和使用过程中整体稳定性，提高结构的空间作用，减小屋架杆件在平面外的计算长度，应根据结构的形式、跨度、房屋高度、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等设置支撑系统。

屋面支撑系统包含横向支撑、竖向支撑、纵向支撑和系杆等。

1、设计屋面支撑应遵守以下原则：
（1）在设置有柱间支撑的水平面内必须设置横向支撑，并将二者布置为封闭型。

（2）所有的横向支撑、纵向支撑和竖向支撑均应与屋架、托架等杆件或檩条组成几何不变的桁架形式。

（3）在房屋每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。

（4）传递风力、吊车水平力和水平地震作用的支撑，能使外力由作用点尽快传递到结构的支座。

（5）柱距越大，吊车工作量越繁重，支撑的刚度应越大。

（6）在地震区应适当增加支撑，并加强支撑节点的连接强度。

2、抗震区支撑布置，可参照《钢结构设计手册》表7-39设置。

3、杆件截面设计
1）支撑中的交叉支撑斜杆按拉杆设计，刚性系杆按压杆设计。

2）压杆、拉杆长细比控制满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第5.38条和第5.3.9条的要求。

3）对下列情况的支撑杆件，除应满足长细比的要求外，尚应根据内力计算其强度、稳定及连接。

a、承受较大端墙风力的屋面横向支撑和刚性系杆。

b、竖向支撑兼做檩条作用时。

c、考虑房屋结构的空间作用而用纵向支撑作为弹性支撑的连接桁架时。

六、重要节点设计
1、肩梁设计；
（1）肩梁构造要求：
a、肩梁的腹板高度除应根据计算确定外，尚应具有一定的高度，以保证柱接头的刚度10mm。

b、肩梁是由腹板、上盖板、下盖板和垫板所组成。

为减小肩梁腹板厚度可在肩梁的腹板的两侧各侧焊接端面支承板。

肩梁盖板的宽度不得小于吊车梁支座板的宽度，不宜小于300mm，板厚可根据吊车反力确定。

（2）肩梁计算：
a、肩梁的腹板可近似地按简支梁计算，作用于肩梁上的力P1，P2。

，
N、MX-肩梁以上截面最不利组合的轴心力和弯矩。

h1-上段柱两翼板中心间的距离；h2-肩梁腹板的计算跨度
b、肩梁腹板的抗弯强度和抗剪强度可参照《钢结构设计手册》第条10.2.6设计。

c、当肩梁下面的下段柱为实腹式柱时，可不必作强度计算。

d、上段柱翼缘板与肩梁腹板的连接强度，可取上段柱最大轴心力P1或P2计算焊缝。

2、柱脚设计：
钢柱柱脚类型较多，一般由底板、靴板、隔板、加劲板、锚栓及其支承托座
等组成。

a、柱脚底板的计算：
底板宽度B一般按构造确定，底板的长度L应按混凝土的最大受压应力不超过其轴心抗压强度设计值fc乘以局部承压时的提供系数βC.
式中N、M为柱底板最不利组合的轴心力和弯矩。

对于仅轴心受压的格构式柱分离式柱脚可以按公式计算。

底板的厚度t，可按公式，M为底板弯矩。

b、柱脚靴梁、靴板计算，柱脚加劲板计算、柱脚锚栓计算、柱脚的构造要求可按照《钢结构设计手册》10.2.8条公式进行设计。

参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 -2001（2006年版）
[2]中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 -2001（2008年版）
[3]中华人民共和国国家标准《钢结构设计手册》上册（第三板）
[4]中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》GB50017 -2003。