对某轻钢结构工业厂房的设计探讨

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摘要：轻钢结构建筑具有较多的优点，如建设周期短、造价低、结构自重小、强度高可作大跨度、外观造型美观、材料可再生利用、施工环境好、建筑造型现代感强等，因此在现代民用和工厂建设中得到越来越多的采用。本文以某个单层轻型钢结构厂房设计为例，结合笔者多年从事的结构设计的实践工作，针对工业厂房具有面积大、层高高、跨度大的特点，介绍了单层钢结构厂房的结构设计方法、构造措施、以及一些注意事项。

关键词：工业厂房；轻钢结构；分析；设计；构造；

一、工程概况

某工业厂房，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计分组为第一组；拟建场地为III 类场地。工程平面尺寸为138m*76m，檐口标高为11.0m ,柱网平面、门架立面分别如图一、图二。基本风压为0.5kN/m2。屋面和墙面采用彩钢板做维护结构。桩基础采用预应力管桩基础。

图一：柱网平面

图二：门架立面及构件截面图

二、结构分析和计算

取计算简图用PKPM系列中的STS程序进行内力分析。恒荷载和活荷载分别取为0.2 kN/m2和0.3 kN/m2；左风时，风荷载体型系数按图三所示数值取用，并考虑风压高度变化系数计算；钢梁平面外计算长度按隅撑间距3.0m采用。计算经调试，选用如图二所示截面的构件时，各项指标均满足要求。其中，钢梁截面是由强度控制，作用弯矩与考虑屈曲后的强度抗弯承载力之比为0.95；钢柱截面是由平面外稳定控制，边柱和中柱的平面外稳定应力之比分别为0.96和0.94。如图三所示。

图三：计算简图和左风时风荷载体系系数

在结构分析和计算中要注意的是：计算简图的合理简化，风荷载体型系数的选用，计算长度的正确选取。

1.计算简图的合理简化

在设计过程中，计算简图的假设一定要与实际相符。节点之间采用高强螺栓连接，构件之间容易实现轴力、弯矩、剪力的传递，采用如图三所示的简图。如果本工程采用钢梁混凝土柱结构，考虑到节点的做法和内力的传递，则采用如图四所示的计算简图才比较合理。

图四：计算简图（混凝土柱钢梁）

2.风荷载体型系数的正确选用

门刚技术规程给出的刚架风荷载体型系数，有一定的适用范围，超出该范围，仍按荷载规范取值，才比较安全。例如檐口高而跨度小，即“瘦高”的工程，应按荷载规范取风荷载体型系数。另外，因建筑方案的千变万化，荷载规范也往往不能穷举各工程的体型，工程师就要根据实际情况，给出合理判断，选用较为偏安全的体型系数了。

3.计算长度的正确选取

构件平面外的选取，应该与工程实际相符。门式刚架梁和柱构件，均按照压弯构件进行强度和稳定的验算。对于平面外稳定验算，计算长度是个密切相关的因素。而平面外计算长度，应取侧向支承点间的距离。绝大部分设计工程师均认同支撑系统的压杆可以作为平面外的侧向支撑点；而对于隅撑是否可以作为平面外的侧向支撑点，设计工程师们有比较大的分歧。笔者不认同简单一刀切的认为隅撑“是”、或“否”作为平面外的侧向支撑点，这个问题要具体问题具体分析。隅撑能作为平面外的侧向支撑点的两个要素，一是屋面板有一定的刚度，二是屋面板与钢梁是可靠连接。我们目前用得比较多的压型钢板、彩钢板、水泥纤维瓦等，均可认为有一定的刚度；而屋面板与檩条的连接，通常采用自攻钉连接或螺栓连接，则认为是可靠连接。如果屋面板体系为浮动式，例如用板扣合的方式连接，则认为连接不可靠，也就不能认为隅撑是平面外的侧向支撑点了。

三、构造措施

1.支撑系统

工程设有柱间支撑和水平支撑两种支撑，分别在端开间和纵方向两个1/3处,共设置4 道。需要注意的是,门式刚架不需要考虑温度应力,柱间支撑的设置,与普通钢结构工程是有区别的。在设置柱间支撑的开间,一般同时设屋盖水平支撑,以组成几何不变体系;在水平交叉之间设刚性系杆,也是为了组成几何不变体系。支撑系统传递水平力,通常可以通过计算风力的传递来确定截面。

值得注意的是,山墙抗风柱与钢架的连接,应该是位于横向支撑刚性系杆处,也就是水平支撑的边节点处。如果不在此处,设计工程师应采取其它措施和经过必要的验算。例如可以根据具体情况设置传递梁,或在支撑交叉点处增加杆件,以传递抗风柱传来的水平力。

2.屋面系统

本工程屋面檩条和墙面墙梁间距1.2m,设2 道直拉条。均采用C 型冷弯型钢, 其中屋面檩条边角区和中间区的型号分别选用C160*70*20*3 和C160*60*20*2.2,跨度6m,

设计中的一个关键是直拉条的设置。在轻钢结构中,风吸力作用下檩条的受压稳定验算通常是个控制要素,而设两道拉条,比仅设一道拉条,缩短了拉条间的距离,根据门规相关验算公式,更容易保证风吸力作用下檩条的受压稳定验算。另一方面,拉条承受屋面线荷载沿坡度方向的分量(檩条承受屋面荷载垂直坡度方向的分量),在屋脊处,为了使两个坡度方向的分量在屋脊处平衡,应将屋脊处两根脊檩连成整体。

为了防止檩条向屋脊方向弯扭失稳。斜拉条和直撑杆的设置,檐口处是必须设置的,在屋脊和天窗缺口处,则要根据实际情况决定是设置或不设置斜拉条和直撑杆,一般跨度不大、屋面对称、坡度较小,则可以免设屋脊处的斜拉条和直撑杆,但由于本工程是采用了两道拉条,虽是屋面对称,但荷载的分量不对称,所以还是在屋脊处增设了斜拉条和直撑杆。

3.关于隅撑

屋面平面,本工程从檐口位置起,每隔一个檩条,设置一对隅撑。墙面平面,在檐口位置,是门刚结构的柱和梁的交接点,弯矩在此达到最大值,此处最容易出现屈曲,从而引起门刚的破坏,所以,在檐口附近的柱内翼缘,设置隅撑是十分必要的。但此位置的隅撑常常为设计工程师所忽略和丢漏,应该引起注意。

总结一下, 我们在布置支撑体系以及隅撑的常用步骤和方法,是首先根据房屋的适用要求布置抗风柱, 然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面水平支撑的节点和支撑杆件。因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面水平支撑的节点, 屋面水平支撑的交叉斜杆为柔性拉杆,通常为张紧的钢筋,与刚架斜梁的连接较为简单,可以不必等间距布置,这是门式刚架与普通钢结构屋架的不同之处。另外要注意的是,在抗风柱与刚架斜梁连接处,刚架斜梁下翼缘也应设置隅撑。

四、结语

本文以笔者从事的工程实例为基础, 结合笔者在工作中遇到的常见问题,作出了探讨、总结,希望设计师们在处理类似工程项目时,能思路清晰,概念清楚,同时注意常见设计问题,采取相应措施,更快更好地处理类似问题。

参考文献:

1.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中国计划出版社2003年3月

2.《建筑结构荷载规范》中国建筑工业出版社2002年3月

3.《全国民用建筑工程设计技术措施(结构)》中国计划出版社2003年1 月

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。