单层工业厂房钢结构设计分析

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摘要：在现代工业厂房设计中，钢结构应用较为广泛。钢结构具有很多优良的性能，施工简单便于安装，自重较轻但是结构性能好，成本造价较低，绿色环保，抗震、抗风性能良好等，适用于多种行业。本文就重型单层钢结构工业厂房的设计进行了探讨，希望对同行有一定的借鉴意义。

关键词：单层厂房；钢结构；设计要点

中图分类号： TU318 文献标识码： A

所谓的重型单层厂房是指在车间厂房内设有重型吊车设备，相对于轻型、中型钢结构厂房来说，不仅在其承载能力上更强，厂房空间大，而且有一定的高度，对于施工质量的要求更加严格。

一、重型单层钢结构厂房的结构设计要点

1.柱网尺寸

厂房柱网尺寸的确定，主要是以下几点作为考量：（1）满足生产工艺流程布置要求。（2）厂房建筑统一模数制的规定。一般厂房边柱距为6M，需要时中间可以抽柱，形成12m、18m、24m、30m等。（3）工程地质条件和柱基础方案。（4）减少构件规格，使构件标准化，定型化，以利构件工厂制作。（5）制作、运输、吊装条件。一般来说，根据国内设计经验，重型厂房钢结构框架跨度设计为24m到36m这个区间内比较合理。当跨度超过30m以上，厂方高度超过15m以上，吊车吨位超过100t以上，边柱柱距以6.0m，中间柱距以12m设计较为经济。当然如果工艺需要，而屋面、墙面采用轻型围护结构，则重型厂房柱距可以采用7.5m、9m、12m、18m，如是多跨相应中间柱距可布置成15m、18m、24m、36m等。需要说明，柱距加大后，屋面、墙面檩条、托架、吊车梁随着跨度增大

2.柱类型的选择与设计

柱的设计，应考虑建筑轴线、净空、吊车轮距、厂房刚度等问题。重型单层钢结构厂房因其吊车荷载大的特点，柱子断面高度常超过1.0m。因此厂房柱多使用阶形格构式柱和分离式两种，格构柱由实腹上柱和能节约用钢量的格构式下柱构成。分离式柱由于具有吊车肢可灵活布置的特点，有扩建跨或相邻两跨吊车轨顶标高相差较大的，应选用该形式。在进行柱截面设计过程中，一般将下柱截面高度取柱计算高的1/8～1/15左右，上柱截面计算高度取柱高的1/8～1/12左右，上柱截面高宽比0.35～0.6，下柱截面高宽比0.25～0.5。肩梁将上柱与下柱有效地连接，起到承上启下的作用。肩梁有单、双腹臂之分，单臂用于柱承担荷载较小的柱，双臂肩梁因其刚度大、整体性好多应用于重型厂房柱。肩梁的构造要求，其惯性矩要大于上主的惯性矩，线刚度与下柱线刚度之比应不小于25，高垮比控制在0.35～0.5之间。另外，柱身板件的宽厚比要符合规范规定，这样才能保证柱断面在承载当中保持局部稳定。

3.厂房结构受力体系的设计

对于重型单层钢结构厂房而言，横向结构及纵向结构构成整个厂房的受力体系。其中横向框架结构受力体系作为厂房重要承重结构，主要是由柱、横向框梁或屋架结构构成；横向框架结构受力体系承担全部屋面荷载、吊车轮压及横向制动力、风荷载以及地震力等作用。因此，这个体系有条件应按框架结构计算，柱脚、柱顶与梁连结按刚性连接，以减小柱顶弯矩，增大框架横向刚度。纵向结构体系的作用在于保证厂房具有足够的纵向刚度，该体系主要由柱、托架、吊车梁、系杆、柱间支撑等构件组成的，纵向结构体传递吊车纵向制动力、风、地震等纵向荷载，同时将纵向荷载传递给厂房基础。因此该体系构件设计要合理，才能保证其传力明确、纵向刚度。

托架设计：根据截面形式，可分单臂式、双臂式、工字型和箱型。双臂式箱型用于承受荷载大、跨度大、抗扭转的托架，反之则用单臂式。当托加受到净空限制或吊有较大荷载，则应选用工字型、箱型截面。格构托架比实腹工字、箱型钢托架节约钢材30%以上，因此无特殊要求应首选格构式。托架与柱连接为上弦端节点铰接支承，托梁与柱连接按铰接设计。当托架、梁有扭矩，则支座应设计抗扭构件。设计要点：（1）单臂式托架应尽量避免承受扭矩，平面外设置水平支撑。（2）双臂式弦杆采用平腹H钢，缀条用槽钢。（3）为了减少扭矩，屋架、屋面梁与托架、托梁连接处应尽量采用平接。（4）托架、托梁截面高度分别为1/5～1/10、1/8～1/10翼缘宽1/2.5～1/5，箱型1/8～1/12，托架挠度控制在L/400。

4.屋盖类型与屋盖支撑的设计

重型单层钢结构厂房相对于其它结构形式的厂房而言，跨度和柱距空间都比较大，角钢屋架承重传统的屋盖类型已经不能满足现在的需要。在重型单层钢结构厂房屋盖类型的选择上，一般屋面使用H型钢梁承重的有檩轻型屋盖。H型钢梁有受力、易加工、运输、安装等好特点，特别是柱顶与梁端设计成刚性节点，构造简单可靠，因此广泛用在现代厂房屋盖中。重型单层钢结构厂房由于吊车荷载量大，空间高大，在吊车行走过程中，厂房的震动也大，在屋盖结构设计中，必须重视屋盖支撑的合理设计，以加强其整体刚度。H型钢梁或屋架承重屋面设计原则：（1）每60m设计一道横向上下弦水平支撑。H型钢梁仅布置上弦（2）跨度方向两端设计纵向上下弦水平支撑，形成屋面周边封闭的水平支撑体系。如跨中有天窗，则天窗两边也应设计纵向上下弦水平支撑，H型钢梁仅布置上弦（3）为保证屋面梁侧向稳定，每隔一檩条间距设计一道隅撑（仅用于H型钢梁）。（4）在有上下水平支撑的柱间布置垂直支撑 （5）在有垂直支撑的平面内布置上下刚性系杆。刚性系杆为能承受拉压的杆件 （6）支撑杆件长细比取150～200为宜。

5.确保结构分析计算的准确性

随着科技的发展，计算机技术得到广泛的应用，重型单层钢结构厂房横向或纵向结构的分析与计算也可以应用计算机技术来完成较为繁琐的分析工作。在实际操作过程中，使用PKPM系列的重型厂房STPJ软件分析计算厂房空间结构的受力情况。这种结构分析技术模式的准确性还是比较高的，在计算模型设置合理，输入数据准确，相关参数也较为准确的情况下，得到的分析结果的精度是很高的。在对重型单层钢结构厂房进行实际的分析计算时要重视一下几个方面的问题：一、按厂房的实际结构建立计算模型；二、分析计算过程中考虑重型单层钢结构厂房阻尼的特殊性；三、厂房抗震等级可依据《GB 50011—2010建筑抗震设计规范》的相关条例确定；四、考虑钢结构构件上加劲肋、连接节点板等对结构的影响；五、分析计算中要要考虑到围护结构对厂房结构的影响度；六、地震作用效应应该计入到厂房纵向柱列计算中；七、当重型单层钢结构厂房的跨度较大时，相关计算需要考虑竖向地震力对结构的影响。

6.合理确定控制指标

重型单层钢结构厂房实际设计过程中，要重点控制结构杆件的相关尺寸如长细比例、受弯杆件的挠度等指标。柱子作为整个结构的重要承重结构，一定要控制好柱子的长细比例，保证足够的刚度。对于受弯杆件其挠度值要严重控制在一定的范围内，比如抗风桁架的挠度值不能大于L /1000。有时为了控制受弯构件的挠度值符合要求，会出现构件应力比较小的状况，此时为了节约成本投资可以对容许挠度值适当调整。

三、结束语

重型单层钢结构厂房在结构上具有诸多优势，在各行各业都得到了广泛认可，逐渐占有重要地位。工程技术人员在进行结构设计时要精心设计，以结构安全、技术先进可靠、投资经济为原则，设计出优秀的工程，为人类社会做出重大贡献。

参考文献：

[1]《钢结构设计与计算》包头钢铁设计研究院等编机械工业出版社.

[2]《建筑结构资料构造图集》中国建筑出版社.