大跨重载工业建筑框架结构设计与施工
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摘要：根据当前国家政策，为了改变国内环境污染严重以及经济增长难以持续等问题，提出了节能减排，淘汰落后，升级换代等举措。国家政策的实质是调整我国钢铁行业的发展方向以内需为主而非出口导向型的发展模式，鼓励高附加值的钢铁产品生产。因此，钢结构凭借自身材料的优势，必将在以后的生产生活中占据更加重要的位置，而其在工业领域的应用和设计将是一个重要的工作。
关键词：钢结构；工业；结构设计；施工
中图分类号：TU391文献标识码： A
引言
随着工业生产技术的不断进步，钢材的种类也日益繁多，尤其是高性能钢材的产品逐渐占据市场的主体，其应用必将更加广泛。更为重要的是，计算机技术的发展为钢结构设计软件甚至计算理论带来的更大的益处。目前钢结构计算软件越来越多，各种技术理论的应用也越来越全面，钢结构在有限元及空间作用的研究及应用会越来越普及。
目前钢结构或者应用大量钢材的混合结构的应用实例很多，更多的为人熟知的是其在高层、超高层及大型公共建筑中的应用。这些项目一般在社会上的影响力非常大，经常为一个城市甚至一个国家的地标性建筑。能够在这样的项目中得到大量应用，充分证明了钢材及钢结构体系在结构设计中所占有的重要位置。
一、钢结构在工业设计中的重要性
我们知道农业是我国国民经济的基础，因为它提供人民的基本生存保障。但在整个国民经济中光靠农业是远远不够的，其它产业部门，如工业、交通、商业等都必须大力发展，尤其是工业，它是国民经济的主导产业。一个国家工业发展水平就代表了其经济发展水平，世界上的发达国家都是工业化国家。作为发展中国家，与发达国家相比，我国的工业还存在许多问题。比如总体水平低，现代化程度差，科学技术上明显滞后，工业生产效率也较低。因此，工业经济的转型势在必行。
配合着工业方面的转型，钢结构在工业领域的应用也将进入到一个新的阶段。在这个阶段中面临着一定的考验，但更多的是机遇。对于工业来讲，钢结构的应用范围相当广泛，历史也相当悠久，其体系也较为成熟和固定。工业中体量大小差异很大的建、构筑物很多，需要满足的功能要求也多种多样，各方面的限制因素等都导致结构样式要比较灵活，因此钢结构的应用必将占据很大的部分。辅助材料的性能发展，如防火材料、防腐蚀材料及保温材料等，也使钢结构能满足越来越高的使用上的要求。随着时间的不断推移，工业与钢结构之间形成了一种相互促进、互利互惠的关系。这种关系也决定了两者紧密的联系。
二、钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的典型案例分析
（一）、工业厂房屋盖系统结构严重破坏
采用钢筋混凝土屋架及屋面板的工业厂房在地震中容易发生严重破坏，强烈的地震作用使得这种整体性差、重量大的屋盖结构系统大批坠落，个别厂房结构解体破坏。
强烈的地震作用使得钢单层钢筋混凝土柱工业厂房柱的顶面与屋架连接处的连接焊缝及螺栓被剪断，或预埋件被拔出，从而使得柱顶与屋架的连接失效，在地震中屋架产生纵向或横向位移错动，最终丧失钢筋混凝土柱的支撑，屋面板与屋架一起坠落。由于屋架与屋面板的焊接不良，或连接件严重锈蚀，在强烈的地震作用下，屋架与屋面板的连接松动脱空，使屋面板在地震晃动中滑脱下坠。
（二）、柱子及支撑的震害
柱子严重破坏导致屋盖坍塌。厂房属多跨单层厂房，边柱为矩形截面，地震后基本完好；中柱为双肢大空腹薄壁柱，每个肢是槽型钢筋混凝土截面，柱子的整体工作能力显然太差，下柱局部破坏严重，上柱的破坏更为严重，有的甚至在全高范围内被压碎，只剩下零零星星的几根钢筋，最终导致屋盖的全面坍塌。钢单层钢筋混凝土柱与吊车梁顶面连接处发生剪切裂缝。由于汶川地震前的工业厂房设计中均未考虑到抗震设计，所以在汶川地震中工业厂房柱子与吊车梁顶面连接处发生了严重的剪切裂缝如图1。
图1
三、工程概况
贵州省瓮安县创业园一期工程有三连体和两连体两种形式，均由钢结构厂房和连体组成。其中钢结构厂房为3层，连体为5层。三连体建筑面积为24669m2，两连体建筑面积为15490m2。厂房采用新型装配整体式空间钢网格盒式结构，单跨跨度为14.4m，共两跨3层，平面尺寸为28.8m×72m，墙架柱间距为2m，建筑总高为15.6m。
四、厂房结构设计
（一）、结构设计方案
本工程钢结构厂房与连体用缝断开，分开建模计算。钢结构厂房采用SATWE程序进行分析计算。厂房楼面活载取6kN/m2，屋面活载取2.0kN/m2，恒载按实际考虑。
钢材选用Q345钢，楼面及屋面混凝土板采用C30混凝土，钢筋采用HRB400。墙架与楼盖单元布置如图2所示，楼盖、纵墙、山墙单元布置分别如图3～5所示，图中圆圈表示各单元的连接节点，虚线表示相邻单元的分界线，各字母为单元编号。单元之间均采用腹板高强螺栓连接、翼缘焊接的刚接形式，按照等强连接的原则确定螺栓的数量和大小。墙架柱及层间梁按实际截面输入模型，由于现有计算软件无法真实输入钢空腹夹层板的模型，笔者采用折算过的等刚度的工字形截面来等效模拟上、下T形截面。等效原则按两者高度相同、抗弯刚度相同进行换算，折算结果如表1所示。在采取钢空腹夹层板楼盖的实际工程中，这种折算方法已通过现场试验证实是可行的(实际截面的现场试验结果与折算成实腹梁的计算结果相吻合)。
图2 墙架与楼盖单元连接轴测
图3 楼盖单元布置
图4 纵墙单元布置
图5 山墙布置
表1 按等效刚度原则折算成实腹梁截面(标准层)
（二）、中柱与楼盖相交处节点设计
由于采用钢空腹夹层板楼盖结构，中柱与楼盖节点计算模型类似于无梁楼盖，经计算对比，采用“米”字形节点作为“柱帽”，经整体、节点分析此节点均能满足设计要求，其应力比及截面尺寸见图6。
（三）、剪力键的设计校核
钢空腹夹层板楼盖剪力键采用方钢管，按下式计算:
ΔN≤fvAs
式中:ΔN为剪力键两侧上(下)肋轴力设计值差值中的较大值；fv为钢材抗剪强度设计值；As为钢材受剪截面面积。
图6 米字形节点应力比及截面尺寸
（四）、结构分析及计算结果
采用SATWE软件进行结构分析。设计参数:建筑安全等级为二级，结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，结构高度为15.6m，基本风压为0.3kN/m2。结构体系为多层钢结构厂房，属于平面规则结构。结构分析结果见表2，3。由表可知:结构第1，2阶振型均为平动；最大层间位移角和位移比远小于《建筑抗震设计规范》(GB50011―2010)限值，结构整体稳定性和抗侧刚度均较好。
表2周期及振动形态
表3最大层间位移角和位移比
五、施工过程
墙架及楼盖均以层为单位以独立单元形式在工厂进行加工，然后运到现场用高强螺栓进行拼接。墙架单元最大尺寸为7100mm×4066mm，质量为981kg，楼盖单元最大尺寸为11250mm×4000mm，质量为784kg。所有单元质量均小于1t，运输和安装均较方便。
空间钢网格盒式结构安装工艺:先安装墙架网格，再安装双层空腹网格楼盖，形成第1层网格盒式结构；再逐次安装第2层和第3层。在钢网格安装期间，外墙DQ板制作加工亦可同步进行。外墙采用厚90镶嵌型DQ板条，双面镶嵌，形成双层DQ墙板。根据墙架的特点，安装步骤为:1)钢丝网细石混凝土现场浇制，即门窗洞口的细石混凝凝土浇制工序；2)所有H型钢墙架柱的高强螺栓连接节点的钢丝网细石混凝土现场浇制；3)上述工序完成后进行DQ墙板的安装；4)根据建筑要求进行墙体内外侧装饰。
结论
相对普通钢框架结构，该结构由于构件尺寸小且数量较多，对钢构件的加工和安装提出了一定的要求。采用装配整体式钢网格盒式结构，所有构件在工厂加工，现场只进行高强螺栓的拼接。在加快施工进度的同时，能够更好地保证工程质量，同时减少现场焊接，减少发生火灾的隐患，提高了施工文明程度。
参考文献
[1] GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003．
[2] 刘大海,杨翠如,陶希暝.建筑抗震构造手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[3] 钢结构设计规范[S].中国计划出版社，2003.