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協(xié)會刊物
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簡述多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討 |
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時間日期：2010-4-28 已被閱讀次：[9937] |
佛山南方建筑設(shè)計院有限公司 黎享燦 鐘敏超
[摘 要] 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點普遍是荷載較重，柱距大，柱網(wǎng)不規(guī)則，隔墻少，
層高高，結(jié)構(gòu)空曠，且樓面開孔多，廠房內(nèi)設(shè)備的布置對結(jié)構(gòu)影響很大，這
樣需要在設(shè)計初期綜合考慮其設(shè)計及結(jié)構(gòu)特點進行了經(jīng)濟指標的比較, 選擇
安全經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案。本文結(jié)合一個兩層紡織廠房大致介紹在設(shè)計中應(yīng)
注意的一些問題。
[關(guān)鍵詞] 多層鋼結(jié)構(gòu);鋼框架;框架體系;剪力撐
隨著近年來鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，和普通鋼筋混凝土廠房相比，鋼結(jié)構(gòu)廠房優(yōu)勢越發(fā)突出：
1）強度高,重量輕,鋼材的密度與強度之比較小，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比要輕30
％～50％。
2）層高與柱網(wǎng)尺寸大，可提高建筑實用面積3％～5％。
3）施工周期短，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土廠房相比，多層鋼廠房的設(shè)計，生產(chǎn)，施工趨于
一體化，加之現(xiàn)場無焊接，無濕作業(yè)，這些都有利于縮短周期，加快資金流通。
4）據(jù)研究，多層鋼結(jié)構(gòu)體系屬于環(huán)保型綠色建筑體系，其節(jié)能指標可達50％。
以上特點使鋼結(jié)構(gòu)的運用越來越廣泛，在多層工業(yè)廠房中的應(yīng)用也日益增多�，F(xiàn)在就以
一個兩層紡織廠房為例談一些粗淺的看法。
1 工程特點
該兩層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，柱網(wǎng)為12mx8.3m，層高7m，結(jié)構(gòu)空曠,樓蓋基本無隔墻,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8.0kpa，部分樓面還需考慮檢修設(shè)備
的堆載。在二層樓面上布置了幾臺大型設(shè)備,比較重，其余樓面上也有很多中小型設(shè)備,設(shè)備
間以管道連接。整個廠房內(nèi)設(shè)備和管道數(shù)量眾多,樓面上需預(yù)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(shè)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，采用該結(jié)構(gòu)能夠提供較大
的樓層剛度，對柱子及柱間支撐提供很好的變形協(xié)調(diào)。
2設(shè)計中的幾個問題
2. 1大型設(shè)備的布置
廠房內(nèi)大型設(shè)備的布置對確定柱網(wǎng)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(shè)備荷載大,重心高,而支撐點接近設(shè)備的底部,位于二層樓面,地震時會產(chǎn)生很大
的傾覆力矩,對支承梁的受力非常不利。因此需要在設(shè)備的外圍設(shè)四根柱子,讓四根柱子的中
心線與設(shè)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。為了支承梁能有效地抵抗扭矩,應(yīng)將設(shè)備的固定螺栓布置在梁
腹板外側(cè),這就要求支承梁的翼緣寬度不能太大,否則無法保證預(yù)留洞的尺寸。另外,在輸入
設(shè)備的荷載時,應(yīng)該考慮由于地震產(chǎn)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,需要人工加以干預(yù)。其他中小型設(shè)備也影響著結(jié)構(gòu)布置,必須全面加以考慮�？�
之,在設(shè)計初期應(yīng)該同工藝設(shè)備專業(yè)密切配合把柱網(wǎng)確定好。必要時請工藝專業(yè)適當調(diào)整設(shè)
備的位置,以滿足結(jié)構(gòu)布置的需要。
2. 2結(jié)構(gòu)類型的選擇及截面的初步估算
對于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房,通常采用的結(jié)構(gòu)形式有三種。第一種為框架－支撐體系。即由豎
向或橫向布置的支撐桁架結(jié)構(gòu)和框架構(gòu)成。它的特點是框架與支撐系統(tǒng)協(xié)同工作，豎向支撐
桁架起剪力墻的作用，承擔(dān)大部分水平剪力。這種結(jié)構(gòu)形式特別適用于縱向較長,橫向較短
的廠房,經(jīng)濟,省鋼材。缺點是柱間支撐可能會影響使用。第二種為純框架體系。把廠房縱橫
兩個方向都設(shè)計成剛接框架,不設(shè)置柱間支撐。其優(yōu)點是平面布置靈活，可為建筑提供較大
的室內(nèi)空間，且結(jié)構(gòu)各部分剛度比較均勻。缺點是側(cè)向剛度小，且不宜采用工字型截面柱,
宜采用兩個方向慣性矩差別不大的截面形式。第三種結(jié)構(gòu)形式為鋼架加支撐的混合體系,在
工業(yè)廠房中用的也較多。把縱向設(shè)計成鋼架和支撐混合的型式,僅在廠房外側(cè)設(shè)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(jié)構(gòu)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(xié)調(diào),無法充分發(fā)揮柱間支撐的
作用。本工業(yè)廠房采用了第三種結(jié)構(gòu)型式，為了增加樓層剛度,在廠房的每個樓層內(nèi)均因地
制宜地設(shè)置了橫向和縱向的水平支撐。
�。斀Y(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸
的假定。
�。斾摿嚎筛鶕�(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20～1/50之間選擇。翼緣寬
度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算。 確定了
截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。
�。斨孛姘撮L細比預(yù)估. 通常50<λ<150, 簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向
受彎或單向受彎的不同,可選擇H型鋼截面等.
2. 3組合樓板對次梁的影響
組合樓板即既是模板又作為底面受拉配筋的壓型鋼板。樓層平面梁格的布置主要受設(shè)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(chǎn)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(cè)向支撐，這樣
按跨中無側(cè)向支撐的情況來驗算梁的平面外穩(wěn)定。所以，受荷較小的次梁宜采用平面外穩(wěn)定
性好的軋制H型鋼，而不宜采用穩(wěn)定性很差的普通槽鋼。
2. 4結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的注意事項
由于計算機技術(shù)在工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用,設(shè)計手段已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化,應(yīng)力分析
的準確性大大提高了,繪制施工圖的工作量大大降低了,設(shè)計人員可以把大部分的精力投入到
制定方案和受分析中,使設(shè)計出的構(gòu)件經(jīng)濟合理。 在設(shè)計該廠房時,采用了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件S
TS , 配合SATWE程序, 完成建立結(jié)構(gòu)模型,輸入荷載到空間整體受力分析和桿件截面驗算 。
①在內(nèi)力分析時主要注意以下幾點:網(wǎng)格生成平面簡化。由于工業(yè)廠房的梁格布置復(fù)雜, 在
應(yīng)用軟件時完全按實際情況建立模型會產(chǎn)生大量的近節(jié)點,對分析結(jié)果不利。需要采用一些
簡化手段,但是不能與實際出入太大,否則就失去了計算的價值。②利用柱間支撐簡化立面網(wǎng)
格。對于柱間支撐的作用,不能簡單地看成是一種構(gòu)造措施,必須把它作為一種受力桿件輸入
到結(jié)構(gòu)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(cè)移剛度的影響很大。柱間支撐對其兩側(cè)的柱腳會產(chǎn)生不利影響,在某些荷載組合中,柱腳錨
栓會出現(xiàn)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�？梢栽O(shè)計成拉桿,也可以設(shè)計成壓桿,根據(jù)需要選擇。按拉桿設(shè)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(chǎn)生
影響到結(jié)構(gòu)空間受力分析的結(jié)果。設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)桿件的拉力用筆算的方法驗算桿件強度,
如果柱間支撐設(shè)計成壓桿,可直接利用程序的驗算結(jié)果。④彈性樓板模型的確定。程序TSATW
E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(jié)點加以處理。本
工程設(shè)計中由于樓層內(nèi)設(shè)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(shè), 也可
采用彈性節(jié)點的處理方法，從程序計算的結(jié)果來看二者差別不大,說明樓層內(nèi)水平支撐的效
果較好,可以協(xié)調(diào)柱的變形。
2. 5連接節(jié)點的設(shè)計
鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計在廠房中最重要的節(jié)點是框架與柱的連接節(jié)點。在廠房中最重要的節(jié)
點是框架與柱的連接節(jié)點。按連接的轉(zhuǎn)動剛度和連接構(gòu)造之間的關(guān)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(jié)點是剛性連接和柔性連接,半剛性連接使用的較少。
對于節(jié)點的安全性,通常包含強度和延性兩個方面。延性好的節(jié)點在地震作用下的變形能力
強,不會發(fā)生脆性破壞,是一種理想的節(jié)點形式。半剛性連接節(jié)點,尚沒有適當?shù)挠嬎隳Ｐ蛻?yīng)
用受到了限制。柔性連接能傳遞軸力、剪力和彎矩,可以近似看成是鉸接。剛性連接節(jié)點大
體上有三種類型:焊接連接、高強度螺栓連接和栓焊混合連接。焊接連接的節(jié)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(jié)點的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，用鋼量省
，加工簡單，剛度大，易于自動化操作。缺點是焊件回產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，
高空施焊條件不好時對質(zhì)量影響較大;栓焊混合連接節(jié)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(jié)點與全焊接節(jié)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(jié)點梁的翼緣和腹板全部采用高強螺栓連接。這種節(jié)點延性好，施工
方便，適合工業(yè)化生產(chǎn)，但連接尺寸過大，材料消耗過多，因而造價較高，前期制作量大。
目前這種節(jié)點在框架中用的不多。
本工程主要包含如下連接：1.焊接: 對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強制規(guī)定,應(yīng)嚴
格遵守。 焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)，E43對應(yīng)Q235,E50對應(yīng)Q345。 Q235與Q345
連接時,應(yīng)該選擇低強度的E43,而不是E50。 2.栓接: 鉚接形式,在建筑工程中，現(xiàn)已很少采
用。普通螺栓抗剪能差, 可在次要結(jié)構(gòu)部位使用.
�。敻邚娐菟�,使用日益廣泛.常用8.8s和10.9s兩個強度等級。根據(jù)受力特點分承壓型和
摩擦型。兩者計算方法不同， 高強螺栓最小規(guī)格M12， 常用M16～M30， 超大規(guī)格的螺栓性
能不穩(wěn)定,設(shè)計中應(yīng)慎重使用。自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。 3.連接板: 可
簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm. 然后驗算凈截面抗剪等。 4.梁腹板: 應(yīng)驗算栓孔處腹板
的凈截面抗剪，承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。 5.節(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺
栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。
2. 6應(yīng)用軋制H型鋼的注意事項
H型鋼屬于高效經(jīng)濟裁面型材，由于截面形狀合理，它們能使鋼材更高地發(fā)揮效能，提
高承裁能力。應(yīng)用軋制H型鋼,可以大大減輕構(gòu)件制作的工作量,加快了施工進度。但有其不
利的一面。首先我國的軋制H 型鋼板件厚度比較薄,不適合做工業(yè)廠房的柱子，因為其柱子
軸力大，需要翼緣和腹板有較大的厚度,而截面尺寸不能過大;其次，軋制H 型鋼的拼接為全
截面拼接，存在不安全因素,受工期限制,不可能都采用定尺型鋼，造成材料利用率不高,接
頭數(shù)量多, 并且需要嚴格控制拼接的位置。
3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向
目前,鋼結(jié)構(gòu)廠房的應(yīng)用越來越多,但是造價仍是發(fā)展的制約因素。如何設(shè)計出安全、用
鋼量少、施工安裝簡便的鋼結(jié)構(gòu)廠房是設(shè)計人員的共同目標。。在相同條件下,控制用鋼量
就可以有效地控制造價。借助計算分析程序,我們可以很好地控制構(gòu)件的用鋼量。但是節(jié)點
的用鋼量或節(jié)點的造價需要我們仔細比較才能確定。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮當前的國情。即大多
數(shù)施工安裝企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)制作安裝工業(yè)化程度不高，構(gòu)件加工的精度比較低，屬于粗放型經(jīng)
營階段。如果照搬國外的節(jié)點型式，全部采用高強螺栓連接是不合適的。首先是成本高，再
次制作安裝水平跟不上。不僅不能保證質(zhì)量，還給施工增加了難度。但是，這些企業(yè)擁有大
量技術(shù)熟練的焊接技工，現(xiàn)場焊接的安裝水平很高，有豐富的同類工程施工經(jīng)驗。因此，在
當前采用焊接連接的節(jié)點型式仍擁有廣闊的市場。
除廠房外，隨著我國的發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅將增加。國家提倡建設(shè)節(jié)能省地住宅，有關(guān)鋼結(jié)
構(gòu)住宅的設(shè)計規(guī)范及配套技術(shù)、材料基本具備。目前我國僅有幾百萬㎡的鋼結(jié)構(gòu)住宅，發(fā)達
國家卻達到40－50％。如我國每年竣工6億平方米的城鎮(zhèn)住宅建設(shè)有5％采用鋼結(jié)構(gòu)，按多層
、高層建筑平50kg/m2鋼材計，用鋼量將達到每年150萬噸,由此可見，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展前景可人
。
4 結(jié)論
當前，鋼結(jié)構(gòu)具有很好的發(fā)展勢頭，它以自身的優(yōu)越性，正在工程中得到越來越廣泛的
應(yīng)用，實用、節(jié)能、工業(yè)化程度高等將會是很重要的建筑指標，意味著鋼結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用將成
為多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計趨勢。
參考文獻
[1] 陳祿如.中國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和問題.鋼結(jié)構(gòu)1996(1)
[2] 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011－2001）[S] 中國建筑工業(yè)出版社 2002.1
關(guān)于修訂佛山市建筑業(yè)協(xié)會章程的通知
佛建協(xié)字〔2009〕11號
各有關(guān)單位：
為加強行業(yè)管理，充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會自律作用，2009年4月27日的佛山市建筑業(yè)協(xié)會第
三屆會員大會通過投票表決了同意“接受市外的建筑企業(yè)成為我會臨時會員，連續(xù)五年的臨
時會員可成為正式會員”的決定，并對《佛山市建筑業(yè)協(xié)會章程》進行相應(yīng)的修訂。自決定
通過之日起，修訂后的的章程生效。
佛山市建筑業(yè)協(xié)會
二○○九年四月二十八日
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