重型钢结构厂房的设计

重型钢结构厂房的设计

金海黄功文陈梅珠

杭州恒达钢构股份有限公司

[摘要] 本文以宁波一重型钢结构厂房为例，详细介绍了重型钢结构厂房设计要点，以及对相关规范的应用技巧，可为类似工程设计提供参考。

[关键词] 重型钢结构厂房屋面活荷载支撑节点设计

1、引言

为满足使用功能需要，跨度大、高度高以及大吨位行车重型钢结构厂房不断涌现。随着钢结构的发展，重型钢结构厂房在工业建筑中的比重越来越大，主要用于冶金、机械、船舶等建筑领域。本文结合浙江宁波地区某生产车间的结构设计，重点介绍重型钢结构厂房结构特点及结构设计中注意事项。

2、工程参数及自然条件

该厂房建筑面积23478m2，长度264m，宽度90m，柱距9m（局部7.5m、16m），跨度30m、35m、25m。厂房檐口标高22.3m；A~B跨在轨顶标高11.9m处设一台50/10T A5级吊车，在轨顶标高15.9m处设两台10T A3级吊车；B~C跨在轨顶标高14.4m处设两台200/20T A5级吊车，在轨顶标高19.3m处设两台10T A3级吊车，如图1所示。

自然条件：基本风压0.6KN/m2，地面粗糙度B类；雪压0.3KN/m2，屋面恒载0.25KN/m2，屋面活载0.5KN/m2，抗震设防烈度6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度

0.05g，场地类别为IV类，地震设计特征周期为0.65s。

图1 剖面图

3、重型钢结构厂房结构特点及设计要点

3.1结构特点

（1）、结构构件用钢量大。该类厂房柱距、跨度、高度一般较大，且吊车工作级别、荷载较大，因此导致构件超长、超宽、超重现象，用钢量一般超过60kg/m2。由于该类厂房结构构件重量较重，相应基础费用也较高，同时地震反应也较为敏感。

（2）、轴网布置复杂。受工艺条件限制，边柱距一般为6～12m，中柱距一般为9～18m，且中柱经常需要抽柱。

（3）、结构整体刚度要求高。因吊车冲击荷载对结构的影响，在结构的纵向及横向应提高其设计刚度，以减小整体结构的震动。

（4）、节点构造设计复杂。节点设计应考虑超大、超宽、超重构件的制造、运输、安装的工艺要求，并满足抗震构造措施及刚性假定的规定。

3.2结构设计要点

（1）、屋面活荷载取值

根据《钢结构设计规范》（GB50017 2003）3.2.1款条文说明：屋面均布活荷载标准值按《建筑结构荷载规范》（GB 50009）中规定取0.5kN/m2，当受荷的水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值为0.3kN/m2。这个取值仅适用于只有一个可变荷载的情况，当有两个及以上可变荷载考虑荷载组合值系数参与组合时，屋面荷载仍应取

0.5kN/m2（雪荷载大于0.5kN/m2时，应按雪荷载大小取值），否则，将比原规范降低安全度。本工程设计屋面存在积灰活荷载，故活载取值为0.5kN/m2。

（2）、吊车梁钢材选取

根据《钢结构设计规范》（GB50017 2003）3.3.4、6.1.1条及《起重机设计规范》（GB3811-2005）的规定，本项目设计的A5工作级别的50吨、200吨钢吊车梁钢材应按满足验算疲劳的焊接结构，工作温度大于-20℃~0℃的要求选取，故钢材选用Q345C级钢。（3）、屋面支撑设计

屋面支撑一般指屋面系杆、水平支撑及隅撑等。重型钢结构厂房结构屋面斜梁的平面外计算长度应取屋面水平支撑节间距离，屋面支撑尺寸样式应满足屋面斜梁平面外计算长度基本假定。如图2（a）、2（b）所示的屋面斜梁平面外计算长度应取4500mm，如图2（c）所示的屋面斜梁平面外计算长度应取9000mm。水平支撑构件的夹角应在30°~60°范围内，宜接近45°，隅撑与刚架构件腹板的夹角不宜小于45°。重型钢结构厂房屋面支撑构件的设计中，为提高屋面的刚度，宜设置纵向水平支撑并与横向水平支撑构成封闭

图3 柱间支撑受力及变形图

环路，当抗震设防烈度8度及以上、设有吊车吨位大于50吨或吊车吨位大于20吨的重级及以上的厂房，其屋面水平支撑宜采用刚性支撑，并按拉杆进行设计。支撑杆件满足长细比要求外，尚应根据内力，计算其强度、稳定。

(a)(b)

(c)

图2 屋面支撑形式

（4）、柱间支撑设计

柱间支撑主要用于抵抗风荷载、吊车纵向荷载等与支撑平面平行的各种荷载，提高结构在支撑平面内的稳定性和刚度。柱间支撑构件应满足在荷载作用下的强度和稳定性（对支撑压杆），同时还应满足最大长细比和最小截面尺寸的要求。此外，柱间支撑还应具有必要的抗侧倾刚度即保证纵向框架为无侧移失稳，使纵向框架各节点处构成阻止框架柱平面外位移的支承点。 柱间支撑提供的侧倾刚度：

3b /h=1b 2b Eh cos S =F =A b

=A E cos sin θθθ

Δ b bi 0i S 3(1.2N -N )≥∑∑

柱间支撑杆件最小截面积：

bi 0i b 23(1.2N -N )

A E cos sin θθ≥∑∑

式中bi N ∑、0i N ∑——第i 层层间所有框架柱用无侧移框架和有侧移框架柱计算长度系数算的轴压杆稳定承载力之和。

（5）、屋面斜梁设计

挠度控制：屋面斜梁挠度限值按《钢结构设计规范》（GB50017 2003）附录A 规定，

[υ]/400l Τ≤，设计时通过调整截面来达到变形要求，最终导致屋面斜梁截面较大。设计时挠度可以适当放宽到[υ]/250l Τ≤，通过预先起拱，来达到设计要求，这样可减小屋面斜梁截面大小。

腹板高厚比控制：当屋面梁轴力相对较小时，可按《钢结构设计规范》（GB50017 2003）

4.3.1款规定，承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度，并满足第4.4节相关要求。考虑腹板屈曲后强度的屋面斜梁腹板可以设计的较薄，且无需设置中间横向加劲板，但考虑到腹板的焊接变形往往难以得到保证，因此重型钢结构厂房的屋面斜梁腹板厚度不宜设计过薄，一般最小取6.0mm，且0w /h t 不大于150。

（6）、柱脚设计

柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，此水平剪力可有底板与混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。本工程实腹式柱脚采用整体外露式柱脚，如图4（a）所示；外露式柱脚安装非常简便，但其柱脚加劲板较多，车间加工时比较费工、费料。格构式钢柱采用插入式柱脚，如图4（b）所示；插入式柱脚需要考虑后浇部分混凝土，安装进度较慢并增加基础处理费用，但其自身有加工快、用料省、制造简单等特点。

(a)

(b)图4 柱脚形式

7、梁柱刚性节点设计