大型鋼結構廠房設計應該從哪些方面入手？
時間：2024-03-16
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大型鋼結構廠房是一種常見的廠房類型，針對大型鋼結構廠房設計應該從哪些方面入手呢？
對于這類廠房，對于多層鋼結構工業廠房特點普通是荷載較重，柱距大，柱網不規則，隔墻少，層高高，結構空曠，且樓面開孔多，廠房內設備的布里對結構影響很大，因此，在設計初期綜合考慮并選擇安全經濟合理的結構方案極其關健。
1 鋼結構的運用優勢
隨著近年來鋼結構的迅速發展，和普通鋼筋混凝土廠房相比，鋼結構廠房優勢越發突出:
1)自重輕，可減輕建筑物質量的30%，特別在地質承載力低和地震烈度較高的地方，其綜合經濟小于優于鋼筋混凝土結構體系。
2)布置靈活，開間大，可提高建筑實用面積3%~5%。
3)可以工廠化批量生產，施工簡單，安裝快捷，大大縮短施工周期。
4)據研究，多層鋼結構體系屬于環保型綠色建筑體系，其節能指標可達50%。
以上特點使鋼結構的運用越來越廣泛，在多層工業廠房中的應用也日記增多。現在就以一個兩層紡織廠房為例談一些粗淺的看法。
2工程特點
該兩層鋼結構工業廠房，柱網為12m x8.3 m,層高7m，結構空曠，層，基本無隔墻，樓面開孔很多，部分樓層沒有鋪板，為全房間洞口，樓面活荷載8.0 kpa，部分樓面還需考慮檢修設備的堆載。在二層樓面上布置了幾臺大型設備，比較重，其余樓面上也有很多中小型設備，設備間以管道連接。整個廠房內設備和管道數量眾多，樓面上需預留的孔洞相當多，給樓層平面布置造成了很多困難。該廠房柱子的豎向荷載很大，最大的達到3000 kn，柱子全部采用焊接h型鋼制作，框架梁與次梁大部分采用軋制h型鋼，僅二層支撐大型設備的幾根框架梁采用焊接h型鋼制作。樓面采用在壓型鋼板上澆筑混凝土形成的組合樓板。
3 設計中的幾個問題
3.1 大型設備的布置
廠房內大型設備的布置對確定柱網起著決定性的作用，同時也限制了支承梁的翼緣寬度。由于大型設備荷載大，重心高，而支撐點接近設備的底部，位于二層樓面，地震時會產生很大的傾夜力矩，對支承梁的受力非常不利。因此需要在設備的外圍設置四根柱子，讓四根柱子的中心線與設備的中心線重合，并盡量使支承梁與柱子直接連接成框架梁。這樣布置傳力直接，對于承受豎向荷載也非常有利口為了支承梁能有效地抵抗扭矩，應將設備的固定螺栓布置在梁腹板外側，這就要求支承梁的翼緣寬度不能太大，否則無法保證預留洞的尺寸。另外，在輸人設備的荷載時，應該考慮由于地震產生的傾覆力矩而增加的荷載。這部分荷載是計算機程序無法考慮的，需要人工加以千預。其他中小型設備也影響著結構布置，必須全面加以考慮。總之，在設計初期應該同工藝設備專業密切配合把柱網確定好。必要時請工藝專業適當調整設備的位置，以滿足結構布置的需要。
3.2 結構類型的選擇
對于鋼結構工業廠房，通常采用的結構形式有三種。第一種為框架一支撐體系。即橫向設計成剛接框架，柱子與框架梁為剛接;縱向設計成柱一支撐體系，柱子與框架梁為鉸接，用柱間支撐抵抗水平荷載。第二種為純框架體系。把廠房縱橫兩個方向都設計成剛接框架，不設置柱間支撐。第三種結構形式為鋼架加支撐的混合體系，在工業廠房中用的也較多。它綜合了前兩種結構型式的優點.把縱向設計成鋼架和支撐混合的型式，僅在廠房外側設置柱間支撐，靠兩者共同抵抗水平力。由于柱間支撐抵抗水平力的效果很好，減少了柱子的縱向彎矩，可采用工字型截面柱，但截面寬度較大。采用這種結構型式，需要有較大的樓層剛度，最好是采用鋼筋混凝土樓面，以保證整體空間剛度，否則柱子間的變形不協調，無法充分發揮柱間支撐的作用。本廠房就采用了第三種結構型式，即鋼架加支撐的混合體系，為了增加樓層剛度，在廠房的每個樓層內均因地制宜地設置了橫向和縱向的水平支撐。
3.3 組合樓板對次梁的影響
樓層平面梁格的布置主要受設備影響，并受到組合板跨高比限制，以防止板撓度過大而影響正常使用，讓人產生不安全感。在考慮組合板對于梁的作用時，因組合板只是覆蓋在梁上，對梁沒有形成效的側向支撐，這樣應按跨中無側向支撐的情況來驗算梁的平面外穩定。所以，即使是受荷較小的次梁也宜采用平面外穩定性好的軋制h型鋼，而不宜采用穩定性很差的普通槽鋼。
3.4 結構內力分析的注意事項
由于計算機技術在工程設計領域的應用，設計手段已經發生變化，應力分析的準確性大大提高，繪制施工圖的工作量降低，設計人員可以把大部分的精力投人到制定方案和受力分析中，使設計出的構件經濟合理。設計該廠房時，采用了鋼結構設計軟件sts，配合satwe程序，完成建立結構模型，輸人荷載到空間整體受力分析和桿件截面驗算。
①在內力分析時主要注意以下幾點:網格生成平面簡化。由于工業廠房的梁格布置復雜，在應用軟件時完全按實際情況建立模型會產生大量的近節點，對分析結果不利。需要采用一些簡化手段，但是不能與實際出人太大，否則就失去了計算的價值;
②利用柱間支撐簡化立面網格。對于柱間支撐的作用，不能簡單地看成是一種構造措施，必須把它作為一種受力桿件輸人到結構模型中。因為支撐的剛度直接影響著廠房縱向的周期和水平位移，即它對廠房縱向抗側移剛度的影響很大。柱間支撐對其兩側的柱腳會產生不利影響，在某些荷載組合中，柱腳錨栓會出現上拔力，柱腳剪力也比其他柱腳增加很多;
③柱間支撐桿件模型的確定。廠房的柱間支撐多采用剪刀撐。可以設計成拉桿，也可以設計成壓桿，根據需要選擇。按拉桿設計時程序會給出強度驗算不足的提示，這是由于程序無法把支撐處理成單拉桿所致。但是不會產生影響到結構空間受力分析的結果。設計者應該根據桿件的拉力用筆算的方法驗算桿件強度，如果柱間支撐設計成壓桿，可直接利用程序的驗算結果;
④彈性樓板模型的確定。程序tsat-we采用了更為先進的算法，完全可以拋開樓層約束作用不大的情況采用彈性節點加以處理。本工程設計中由于樓層內設置了水平支撐，可以近似地采用樓層水平剛度無限大的假設，也可采用彈性節點的處理方法，從程序計算的結果來看二者差別不大，說明樓層內水平支撐的效果較好，可以協調住的變形。
3.5 節點設計
節點設計的原則首先是安全，其次是經濟，并且應該與施工安裝水平相一致。在廠房中最重要的節點是框架與柱的連接節點。按連接的轉動剛度和連接構造之間的關系劃分為剛性連接，柔性連接和半剛性連接。目前用的最多的節點是剛性連接和柔性連接，半剛性連接使用的較少。對于節點的安全性。通常包含強度和延性兩個方面。延性好的節點在地震作用下的變形能力強，不會發生脆性破壞，是一種理想的節點形式。半剛性連接節點，尚沒有適當的計算模型應用受到了限制。柔性連接能傳遞軸力、剪力和很小的彎矩，可以近似看成是鉸接。剛性連接節點大體上有三種類型:全焊接連接、栓焊混合連接和全螺栓連接。全焊接連接的節點，梁的翼緣和腹板全部采用焊縫連接在柱子上。通常情況下，翼緣必須采用開剖口的熔透焊縫連接，腹板可以采用開剖口的熔透焊縫.也可以采用角焊縫連接。這種節點的優點是強度高，節省材料，成本低，缺點是現場焊接量大，高空施焊條件不好時對質量影響較大;栓焊混合連接節點的翼緣采用熔透焊縫連接，腹板采用高強螺栓連接。這種節點與全焊接節點的特性相似，缺點是前期制作量較大，用的材料較多，成本較高;全螺栓連接節點梁的翼緣和腹板全部采用高強螺栓連接。這種節點延性好，適用工業化生產，現場焊接少，缺點是成本高，前期制作量大。目前這種節點在框架中用的不多。
對于這類廠房，對于多層鋼結構工業廠房特點普通是荷載較重，柱距大，柱網不規則，隔墻少，層高高，結構空曠，且樓面開孔多，廠房內設備的布里對結構影響很大，因此，在設計初期綜合考慮并選擇安全經濟合理的結構方案極其關健。
1 鋼結構的運用優勢
隨著近年來鋼結構的迅速發展，和普通鋼筋混凝土廠房相比，鋼結構廠房優勢越發突出:
1)自重輕，可減輕建筑物質量的30%，特別在地質承載力低和地震烈度較高的地方，其綜合經濟小于優于鋼筋混凝土結構體系。
2)布置靈活，開間大，可提高建筑實用面積3%~5%。
3)可以工廠化批量生產，施工簡單，安裝快捷，大大縮短施工周期。
4)據研究，多層鋼結構體系屬于環保型綠色建筑體系，其節能指標可達50%。
以上特點使鋼結構的運用越來越廣泛，在多層工業廠房中的應用也日記增多。現在就以一個兩層紡織廠房為例談一些粗淺的看法。
2工程特點
該兩層鋼結構工業廠房，柱網為12m x8.3 m,層高7m，結構空曠，層，基本無隔墻，樓面開孔很多，部分樓層沒有鋪板，為全房間洞口，樓面活荷載8.0 kpa，部分樓面還需考慮檢修設備的堆載。在二層樓面上布置了幾臺大型設備，比較重，其余樓面上也有很多中小型設備，設備間以管道連接。整個廠房內設備和管道數量眾多，樓面上需預留的孔洞相當多，給樓層平面布置造成了很多困難。該廠房柱子的豎向荷載很大，最大的達到3000 kn，柱子全部采用焊接h型鋼制作，框架梁與次梁大部分采用軋制h型鋼，僅二層支撐大型設備的幾根框架梁采用焊接h型鋼制作。樓面采用在壓型鋼板上澆筑混凝土形成的組合樓板。
3 設計中的幾個問題
3.1 大型設備的布置
廠房內大型設備的布置對確定柱網起著決定性的作用，同時也限制了支承梁的翼緣寬度。由于大型設備荷載大，重心高，而支撐點接近設備的底部，位于二層樓面，地震時會產生很大的傾夜力矩，對支承梁的受力非常不利。因此需要在設備的外圍設置四根柱子，讓四根柱子的中心線與設備的中心線重合，并盡量使支承梁與柱子直接連接成框架梁。這樣布置傳力直接，對于承受豎向荷載也非常有利口為了支承梁能有效地抵抗扭矩，應將設備的固定螺栓布置在梁腹板外側，這就要求支承梁的翼緣寬度不能太大，否則無法保證預留洞的尺寸。另外，在輸人設備的荷載時，應該考慮由于地震產生的傾覆力矩而增加的荷載。這部分荷載是計算機程序無法考慮的，需要人工加以千預。其他中小型設備也影響著結構布置，必須全面加以考慮。總之，在設計初期應該同工藝設備專業密切配合把柱網確定好。必要時請工藝專業適當調整設備的位置，以滿足結構布置的需要。
3.2 結構類型的選擇
對于鋼結構工業廠房，通常采用的結構形式有三種。第一種為框架一支撐體系。即橫向設計成剛接框架，柱子與框架梁為剛接;縱向設計成柱一支撐體系，柱子與框架梁為鉸接，用柱間支撐抵抗水平荷載。第二種為純框架體系。把廠房縱橫兩個方向都設計成剛接框架，不設置柱間支撐。第三種結構形式為鋼架加支撐的混合體系，在工業廠房中用的也較多。它綜合了前兩種結構型式的優點.把縱向設計成鋼架和支撐混合的型式，僅在廠房外側設置柱間支撐，靠兩者共同抵抗水平力。由于柱間支撐抵抗水平力的效果很好，減少了柱子的縱向彎矩，可采用工字型截面柱，但截面寬度較大。采用這種結構型式，需要有較大的樓層剛度，最好是采用鋼筋混凝土樓面，以保證整體空間剛度，否則柱子間的變形不協調，無法充分發揮柱間支撐的作用。本廠房就采用了第三種結構型式，即鋼架加支撐的混合體系，為了增加樓層剛度，在廠房的每個樓層內均因地制宜地設置了橫向和縱向的水平支撐。
3.3 組合樓板對次梁的影響
樓層平面梁格的布置主要受設備影響，并受到組合板跨高比限制，以防止板撓度過大而影響正常使用，讓人產生不安全感。在考慮組合板對于梁的作用時，因組合板只是覆蓋在梁上，對梁沒有形成效的側向支撐，這樣應按跨中無側向支撐的情況來驗算梁的平面外穩定。所以，即使是受荷較小的次梁也宜采用平面外穩定性好的軋制h型鋼，而不宜采用穩定性很差的普通槽鋼。
3.4 結構內力分析的注意事項
由于計算機技術在工程設計領域的應用，設計手段已經發生變化，應力分析的準確性大大提高，繪制施工圖的工作量降低，設計人員可以把大部分的精力投人到制定方案和受力分析中，使設計出的構件經濟合理。設計該廠房時，采用了鋼結構設計軟件sts，配合satwe程序，完成建立結構模型，輸人荷載到空間整體受力分析和桿件截面驗算。
①在內力分析時主要注意以下幾點:網格生成平面簡化。由于工業廠房的梁格布置復雜，在應用軟件時完全按實際情況建立模型會產生大量的近節點，對分析結果不利。需要采用一些簡化手段，但是不能與實際出人太大，否則就失去了計算的價值;
②利用柱間支撐簡化立面網格。對于柱間支撐的作用，不能簡單地看成是一種構造措施，必須把它作為一種受力桿件輸人到結構模型中。因為支撐的剛度直接影響著廠房縱向的周期和水平位移，即它對廠房縱向抗側移剛度的影響很大。柱間支撐對其兩側的柱腳會產生不利影響，在某些荷載組合中，柱腳錨栓會出現上拔力，柱腳剪力也比其他柱腳增加很多;
③柱間支撐桿件模型的確定。廠房的柱間支撐多采用剪刀撐。可以設計成拉桿，也可以設計成壓桿，根據需要選擇。按拉桿設計時程序會給出強度驗算不足的提示，這是由于程序無法把支撐處理成單拉桿所致。但是不會產生影響到結構空間受力分析的結果。設計者應該根據桿件的拉力用筆算的方法驗算桿件強度，如果柱間支撐設計成壓桿，可直接利用程序的驗算結果;
④彈性樓板模型的確定。程序tsat-we采用了更為先進的算法，完全可以拋開樓層約束作用不大的情況采用彈性節點加以處理。本工程設計中由于樓層內設置了水平支撐，可以近似地采用樓層水平剛度無限大的假設，也可采用彈性節點的處理方法，從程序計算的結果來看二者差別不大，說明樓層內水平支撐的效果較好，可以協調住的變形。
3.5 節點設計
節點設計的原則首先是安全，其次是經濟，并且應該與施工安裝水平相一致。在廠房中最重要的節點是框架與柱的連接節點。按連接的轉動剛度和連接構造之間的關系劃分為剛性連接，柔性連接和半剛性連接。目前用的最多的節點是剛性連接和柔性連接，半剛性連接使用的較少。對于節點的安全性。通常包含強度和延性兩個方面。延性好的節點在地震作用下的變形能力強，不會發生脆性破壞，是一種理想的節點形式。半剛性連接節點，尚沒有適當的計算模型應用受到了限制。柔性連接能傳遞軸力、剪力和很小的彎矩，可以近似看成是鉸接。剛性連接節點大體上有三種類型:全焊接連接、栓焊混合連接和全螺栓連接。全焊接連接的節點，梁的翼緣和腹板全部采用焊縫連接在柱子上。通常情況下，翼緣必須采用開剖口的熔透焊縫連接，腹板可以采用開剖口的熔透焊縫.也可以采用角焊縫連接。這種節點的優點是強度高，節省材料，成本低，缺點是現場焊接量大，高空施焊條件不好時對質量影響較大;栓焊混合連接節點的翼緣采用熔透焊縫連接，腹板采用高強螺栓連接。這種節點與全焊接節點的特性相似，缺點是前期制作量較大，用的材料較多，成本較高;全螺栓連接節點梁的翼緣和腹板全部采用高強螺栓連接。這種節點延性好，適用工業化生產，現場焊接少，缺點是成本高，前期制作量大。目前這種節點在框架中用的不多。