多层钢框架结构工业厂房设计
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【摘要】钢结构由于具有强度高、自重轻、施工速度快等优点，近年来得到了快速的发展，尤其是在工业领域的应用。钢结构形式很多，多层框架结构是工业与民用建筑中常采用的结构形式，本文主要通过实例对多层钢框架进行了论述。
中图分类号：TU398+.2文献标识码： A 文章编号：
一．多层钢框架工业厂房的设计理念
1、钢框架体系概念
框架体系是指沿纵横方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构成所组成的结构体系。框架的梁柱宜采用刚性连接。钢框架结构一般可分为无支撑框架和有支撑框架两种形式。无支撑的纯框架体系，有钢柱和钢梁组成，在地震区框架的纵、横梁与柱一般采用刚性连接，纵横两方向形成空间体系，有一定的整体的空间作用功能，有较强的侧向刚度和延性，承担两个主轴方向的地震作用。
2、纯框架体系的主要特点是：
（1）可以形成较大使用空间，平面布置灵活，适用多种类型适用功能，结构各部分刚度比较均匀，构件易于标准化和定型化，构造简单，易于施工。对于层数不多的房屋而言，框架体系是一种比较经济合理的结构体系。
（2）重力二阶效应影响
钢框架的侧向刚度较柔，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移,由于结构上的竖向荷载P的作用，使结构又进一步增加侧移值且因其结构的各构件产生附加内力。这使框架产生几何非线性的效应，称之为重力二阶效应。
由于重力二阶效应的影响，将降低结构的承载力和结构的整体稳定。
（3）由于框架结构体系中柱与各层梁为刚性连接，改变了悬臂柱的受力状态，从而使柱所承受的弯矩大幅度减小，使结构具有较大延性，自振周期长。自重较轻，对地震作用敏感小，是一种较好的抗震结构形式。但由于地震时侧向位移大，容易引起非结构性构件的破坏。
（4）框架结构体系的抗侧能力主要决定于梁和柱的受弯能力，若房屋层数过多，侧力增大，而要提高抗侧刚度，只有加大梁、柱截面。
三．工程概况
河南洛阳某选厂精矿过滤车间为多层钢结构厂房，总建筑面积为1852.2m2。首层层高4.5m，局部二层层高2.9m，三层层高7.6m，建筑高度17.1m。为满足工艺要求，纵向柱距为6m,9m；横向柱距为6mX5。框架柱与框架梁均为工字型截面，柱与独立基础刚性连接，框架柱与框架梁也是刚性连接。屋面采用薄壁C型钢双拼檩条，墙面采用外挂压型钢板。楼面采用6mm厚花纹钢板以节约造价。
四．钢框架工业厂房建筑设计
1. 维护结构的选用
钢结构厂房主要采用压型钢板围护结构。压型钢板具有自重轻、强度大、刚度较大、抗震性能较好、施工安装方便，易于维护更新，便于商品化、工业化生产的特点。而且压型钢板具有简洁、美观的外观，丰富多彩的色调一级灵活的组合方式，是一种较为理想维护结构用材。
压型钢板按波高分高波板、中波板和地波板三种板型。屋面宜采用波高和波距较大的压型钢板，墙角宜选用波高和波距较小的压型冈本。上述工程中压型钢板维护结构均选在国标01925-1，其中外墙面压型钢板选用YX28-150-750，屋面压型钢板屋面板选用YX130-300-600，屋面底板选用YX15-225-900。
2.屋面排水设计
屋面排水设计主要考虑屋面坡度、天沟形式、单坡屋面长度这些因素。
根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％。然而在实际的操作中，屋面坡度远远低于这个标准。但是，考虑到很多企业的钢构的技术力量、节点的处理以及材料性能等方面的原因，我们通常会将屋面坡度保持在5%内。对于雨雪比较多的地区，屋面坡度可以适当的加大。如下图所示就是屋面设计示意图。
五．钢框架工业厂房结构设计
1、计算的一般规定
计算时对平面布置较规则的多层框架，其横向框架的计算宜采用平面计算模型，当平面不规则且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间计算模型。多层框架的纵向计算，一般可按柱列法计算，当个柱列纵向刚度差别较大且楼盖为刚性楼盖时，宜采用空间整体计算模型。多层框架在风荷载作用下，顶点的横向水平位移（标准值）不宜大于H/500(H为框架柱总高)，层间相对位移（标准值）不宜大于h/400(h为层高)，对隔墙的多层框架，可不验算其层间位移。
2、荷载
(1）恒载（永久荷载）
A、建筑物自重，按实际情况计算取值，分享系数r取为1.2；
B、楼（屋）盖上工艺设备荷载.包括永久性设备荷载及管线等，应按工艺提供的数据取值，其荷载分项系数r取为1.2；当恒荷载在荷载组合中为有利作用时，其分项系数r取为1.0.
（2）活荷载（可变荷载）
楼层活荷载（包括运输或起重设备荷载），按工艺提供的资料确定，荷载分项系数一般取r=1.4,但当楼面活荷载Q>4KN/M2时，r可取1.3.
3.多层框架的节点构造与计算
（1）梁、柱刚接连接节点
多层框架梁最常用的截面为轧制或焊接的H型钢截面，当为组合楼盖时，因优化截面，降低钢耗、可采用上下翼缘不对称的焊接工字型截面。多层框架柱最常用的截面亦为轧制或焊接的H型钢截面，当荷载及柱高均较大时，亦可采用方管截面，但其用钢量较大且制作亦较困难，当有外观等特别要求时亦矿用圆管截面。
在多层框架中框架与柱的连接节点一般都是刚性连接，这样可以增加框架的抗侧移刚度，减少框架横梁的跨中弯矩。梁与柱的刚性连接可以保证将梁端的弯矩和剪力可以有效地传给柱子，刚接节点的连接（焊接或高强度螺栓连接）应能保证所连接部分内力能可靠的传递，对与母材等强的熔透焊（加引弧板）焊缝可不再验算其强度。
本工程中框架柱与框架梁均为工字型截面，均为刚性连接。
（2）柱脚节点
柱脚的作用是将柱的下端固定于基础，并将柱身所受的内力传给基础。基础一般由钢筋混凝土做成，其强度远比钢材低。为此，需要将柱身的底端放大，以增加其与基础顶面的接触面积，使接触面上的压应力小于或等于基础混凝土的抗压强度设计值。
柱脚按其与基础的连接方式不同，可分为铰接和刚接两种型式。上述工程中柱脚采用刚性柱脚，柱脚通过预埋在基础上的锚栓来固定，在弯矩作用下，刚接柱脚底板中拉力由锚栓来承受，所以锚栓的数量和直接需要通过计算确定。
（3）屋盖支撑
屋盖支撑作用：
1）保证屋盖结构的空间几何不变性和稳定性
2）承受和传递水平荷载
支撑体系可有效地承受和传递风荷载、吊车的制动荷载及地震作用等水平荷载
本工程屋面设有5t电动葫芦，为保证承重结构在安装和使用过程中的整体稳定性，提高结构的空间作用，减少屋架杆件在平面外的计算长度，根据结构的形式、跨度、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等设置支撑系统，在屋面2-3轴及5-6轴之间设水平支撑。
六．结束语
工业厂房的设计的好坏是由工艺、项目管理所决定的，而衡量一个设计院的水平则是通过对该设计院的综合管线的管理来评定的，因为对于综合管线的管理将会直接影响到设计的顺利进行。各专业协调的能力最直接、最表面的体现就是综合管线的布置。各专业协调的好，综合管线的布置就合理，厂房就会整齐、干净，否则就显得零乱。当然设计人员的素质也是厂房设计好坏的决定因素，因此，应该加强设计人员的素质建设。
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