简述多层钢结构工业厂房结构设计的探讨

 
时间日期:2010-4-28        已被阅读次:[2903]
 
佛山南方建筑设计院有限公司 黎享灿 钟敏超

  [摘 要] 多层钢结构工业厂房特点普遍是荷载较重,柱距大,柱网不规则,隔墙少,
       层高高,结构空旷,且楼面开孔多,厂房内设备的布置对结构影响很大,这
       样需要在设计初期综合考虑其设计及结构特点进行了经济指标的比较, 选择
       安全经济合理的结构方案。本文结合一个两层纺织厂房大致介绍在设计中应
       注意的一些问题。
  [关键词] 多层钢结构;钢框架;框架体系;剪力撑

  随着近年来钢结构的迅速发展,和普通钢筋混凝土厂房相比,钢结构厂房优势越发突出:
  1)强度高,重量轻,钢材的密度与强度之比较小,钢结构与钢筋混凝土结构相比要轻30
%~50%。
  2)层高与柱网尺寸大,可提高建筑实用面积3%~5%。
  3)施工周期短,与传统的钢筋混凝土厂房相比,多层钢厂房的设计,生产,施工趋于
一体化,加之现场无焊接,无湿作业,这些都有利于缩短周期,加快资金流通。
  4)据研究,多层钢结构体系属于环保型绿色建筑体系,其节能指标可达50%。
  以上特点使钢结构的运用越来越广泛,在多层工业厂房中的应用也日益增多。现在就以
一个两层纺织厂房为例谈一些粗浅的看法。
  1 工程特点
  该两层钢结构工业厂房,柱网为12mx8.3m,层高7m,结构空旷,楼盖基本无隔墙,楼面开
孔很多,部分楼层没有铺板,为全房间洞口,楼面活荷载8.0kpa,部分楼面还需考虑检修设备
的堆载。在二层楼面上布置了几台大型设备,比较重,其余楼面上也有很多中小型设备,设备
间以管道连接。整个厂房内设备和管道数量众多,楼面上需预留的孔洞相当多,给楼层平面布
置造成了很多困难。该厂房柱子的竖向荷载很大,最大的达到3000 kN , 柱子全部采用焊接H
型钢制作,框架梁与次梁大部分采用轧制H型钢, 仅二层支撑大型设备的几根框架梁采用焊接
H型钢制作。楼面采用在压型钢板上浇筑混凝土形成的组合楼板,采用该结构能够提供较大
的楼层刚度,对柱子及柱间支撑提供很好的变形协调。
  2设计中的几个问题
  2. 1大型设备的布置
  厂房内大型设备的布置对确定柱网起着决定性的作用,同时也限制了支承梁的翼缘宽度
。由于大型设备荷载大,重心高,而支撑点接近设备的底部,位于二层楼面,地震时会产生很大
的倾覆力矩,对支承梁的受力非常不利。因此需要在设备的外围设四根柱子,让四根柱子的中
心线与设备的中心线重合,并尽量使支承梁与柱子直接连接成框架梁。这样布置传力直接,对
于承受竖向荷载也非常有利。为了支承梁能有效地抵抗扭矩,应将设备的固定螺栓布置在梁
腹板外侧,这就要求支承梁的翼缘宽度不能太大,否则无法保证预留洞的尺寸。另外,在输入
设备的荷载时,应该考虑由于地震产生的倾覆力矩而增加的荷载。这部分荷载是计算机程序
无法考虑的,需要人工加以干预。其他中小型设备也影响着结构布置,必须全面加以考虑。总
之,在设计初期应该同工艺设备专业密切配合把柱网确定好。必要时请工艺专业适当调整设
备的位置,以满足结构布置的需要。
  2. 2结构类型的选择及截面的初步估算
  对于钢结构工业厂房,通常采用的结构形式有三种。第一种为框架-支撑体系。即由竖
向或横向布置的支撑桁架结构和框架构成。它的特点是框架与支撑系统协同工作,竖向支撑
桁架起剪力墙的作用,承担大部分水平剪力。这种结构形式特别适用于纵向较长,横向较短
的厂房,经济,省钢材。缺点是柱间支撑可能会影响使用。第二种为纯框架体系。把厂房纵横
两个方向都设计成刚接框架,不设置柱间支撑。其优点是平面布置灵活,可为建筑提供较大
的室内空间,且结构各部分刚度比较均匀。缺点是侧向刚度小,且不宜采用工字型截面柱,
宜采用两个方向惯性矩差别不大的截面形式。第三种结构形式为钢架加支撑的混合体系,在
工业厂房中用的也较多。把纵向设计成钢架和支撑混合的型式,仅在厂房外侧设置柱间支撑,
靠两者共同抵抗水平力。由于柱间支撑抵抗水平力的效果很好,减少了柱子的纵向弯矩,可采
用工字型截面柱,但截面宽度较大。采用这种结构型式, 需要有较大的楼层刚度,最好是采用
钢筋混凝土楼面,以保证整体空间刚度,否则柱子间的变形不协调,无法充分发挥柱间支撑的
作用。本工业厂房采用了第三种结构型式,为了增加楼层刚度,在厂房的每个楼层内均因地
制宜地设置了横向和纵向的水平支撑。
  结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸
的假定。
  钢梁可根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽
度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁的整体稳定的复杂计算。 确定了
截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
  柱截面按长细比预估. 通常50<λ<150, 简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向
受弯或单向受弯的不同,可选择H型钢截面等.
  2. 3组合楼板对次梁的影响
  组合楼板即既是模板又作为底面受拉配筋的压型钢板。楼层平面梁格的布置主要受设备
影响,并受到组合板跨高比限制,以防止板挠度过大而影响正常使用,让人产生不安全感。在
考虑组合板对于梁的作用时,因组合板只是覆盖在梁上,对梁没有形成效的侧向支撑,这样
按跨中无侧向支撑的情况来验算梁的平面外稳定。所以,受荷较小的次梁宜采用平面外稳定
性好的轧制H型钢,而不宜采用稳定性很差的普通槽钢。
  2. 4结构内力分析的注意事项
  由于计算机技术在工程设计领域的应用,设计手段已经发生了天翻地覆的变化,应力分析
的准确性大大提高了,绘制施工图的工作量大大降低了,设计人员可以把大部分的精力投入到
制定方案和受分析中,使设计出的构件经济合理。 在设计该厂房时,采用了钢结构设计软件S
TS , 配合SATWE程序, 完成建立结构模型,输入荷载到空间整体受力分析和杆件截面验算 。
①在内力分析时主要注意以下几点:网格生成平面简化。由于工业厂房的梁格布置复杂, 在
应用软件时完全按实际情况建立模型会产生大量的近节点,对分析结果不利。需要采用一些
简化手段,但是不能与实际出入太大,否则就失去了计算的价值。②利用柱间支撑简化立面网
格。对于柱间支撑的作用,不能简单地看成是一种构造措施,必须把它作为一种受力杆件输入
到结构模型中。因为支撑的刚度直接影响着厂房纵向的周期和水平位移,即它对厂房纵向抗
侧移刚度的影响很大。柱间支撑对其两侧的柱脚会产生不利影响,在某些荷载组合中,柱脚锚
栓会出现上拔力, 柱脚剪力也比其他柱脚增加很多。③柱间支撑杆件模型的确定。厂房的柱
间支撑多采用剪刀撑。可以设计成拉杆,也可以设计成压杆,根据需要选择。按拉杆设计时程
序会给出强度验算不足的提示,这是由于程序无法把支撑处理成单拉杆所致。但是不会产生
影响到结构空间受力分析的结果。设计者应该根据杆件的拉力用笔算的方法验算杆件强度,
如果柱间支撑设计成压杆,可直接利用程序的验算结果。④弹性楼板模型的确定。程序TSATW
E采用了更为先进的算法,完全可以抛开楼层约束作用不大的情况采用弹性节点加以处理。本
工程设计中由于楼层内设置了水平支撑,可以近似地采用楼层水平刚度无限大的假设, 也可
采用弹性节点的处理方法,从程序计算的结果来看二者差别不大,说明楼层内水平支撑的效
果较好,可以协调柱的变形。
  2. 5连接节点的设计
  钢结构的节点设计在厂房中最重要的节点是框架与柱的连接节点。在厂房中最重要的节
点是框架与柱的连接节点。按连接的转动刚度和连接构造之间的关系划分为刚性连接,柔性
连接和半刚性连接。目前用的最多的节点是刚性连接和柔性连接,半刚性连接使用的较少。
对于节点的安全性,通常包含强度和延性两个方面。延性好的节点在地震作用下的变形能力
强,不会发生脆性破坏,是一种理想的节点形式。半刚性连接节点,尚没有适当的计算模型应
用受到了限制。柔性连接能传递轴力、剪力和弯矩,可以近似看成是铰接。刚性连接节点大
体上有三种类型:焊接连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。焊接连接的节点,梁的翼缘和
腹板全部采用焊缝连接在柱子上。通常情况下,翼缘必须采用开剖口的熔透焊缝连接,腹板可
以采用开剖口的熔透焊缝,也可以采用角焊缝连接。这种节点的优点是构造简单,用钢量省
,加工简单,刚度大,易于自动化操作。缺点是焊件回产生焊接残余应力和焊接残余变形,
高空施焊条件不好时对质量影响较大;栓焊混合连接节点的翼缘采用熔透焊缝连接,腹板采用
高强螺栓连接。这种节点与全焊接节点的特性相似,缺点是前期制作量较大,用的材料较多,
成本较高;全螺栓连接节点梁的翼缘和腹板全部采用高强螺栓连接。这种节点延性好,施工
方便,适合工业化生产,但连接尺寸过大,材料消耗过多,因而造价较高,前期制作量大。
目前这种节点在框架中用的不多。
  本工程主要包含如下连接:1.焊接: 对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严
格遵守。 焊条的选用应和被连接金属材质适应,E43对应Q235,E50对应Q345。 Q235与Q345
连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50。 2.栓接: 铆接形式,在建筑工程中,现已很少采
用。普通螺栓抗剪能差, 可在次要结构部位使用.
  高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分承压型和
摩擦型。两者计算方法不同, 高强螺栓最小规格M12, 常用M16~M30, 超大规格的螺栓性
能不稳定,设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。 3.连接板: 可
简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm. 然后验算净截面抗剪等。 4.梁腹板: 应验算栓孔处腹板
的净截面抗剪,承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。 5.节点设计必须考虑安装螺
栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。
  2. 6应用轧制H型钢的注意事项
  H型钢属于高效经济裁面型材,由于截面形状合理,它们能使钢材更高地发挥效能,提
高承裁能力。应用轧制H型钢,可以大大减轻构件制作的工作量,加快了施工进度。但有其不
利的一面。首先我国的轧制H 型钢板件厚度比较薄,不适合做工业厂房的柱子,因为其柱子
轴力大,需要翼缘和腹板有较大的厚度,而截面尺寸不能过大;其次,轧制H 型钢的拼接为全
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钢,造成材料利用率不高,接
头数量多, 并且需要严格控制拼接的位置。
  3  钢结构设计的发展方向
  目前,钢结构厂房的应用越来越多,但是造价仍是发展的制约因素。如何设计出安全、用
钢量少、施工安装简便的钢结构厂房是设计人员的共同目标。。在相同条件下,控制用钢量
就可以有效地控制造价。借助计算分析程序,我们可以很好地控制构件的用钢量。但是节点
的用钢量或节点的造价需要我们仔细比较才能确定。钢结构设计应考虑当前的国情。即大多
数施工安装企业的钢结构制作安装工业化程度不高,构件加工的精度比较低,属于粗放型经
营阶段。如果照搬国外的节点型式,全部采用高强螺栓连接是不合适的。首先是成本高,再
次制作安装水平跟不上。不仅不能保证质量,还给施工增加了难度。但是,这些企业拥有大
量技术熟练的焊接技工,现场焊接的安装水平很高,有丰富的同类工程施工经验。因此,在
当前采用焊接连接的节点型式仍拥有广阔的市场。
  除厂房外,随着我国的发展钢结构住宅将增加。国家提倡建设节能省地住宅,有关钢结
构住宅的设计规范及配套技术、材料基本具备。目前我国仅有几百万㎡的钢结构住宅,发达
国家却达到40-50%。如我国每年竣工6亿平方米的城镇住宅建设有5%采用钢结构,按多层
、高层建筑平50kg/m2钢材计,用钢量将达到每年150万吨,由此可见,钢结构发展前景可人

  4  结论
  当前,钢结构具有很好的发展势头,它以自身的优越性,正在工程中得到越来越广泛的
应用,实用、节能、工业化程度高等将会是很重要的建筑指标,意味着钢结构普遍应用将成
为多层钢结构厂房的设计趋势。
  
  参考文献
  [1] 陈禄如.中国钢结构的发展和问题.钢结构1996(1)
  [2] 《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)[S] 中国建筑工业出版社 2002.1

  关于修订佛山市建筑业协会章程的通知
佛建协字〔2009〕11号
各有关单位:
  为加强行业管理,充分发挥行业协会自律作用,2009年4月27日的佛山市建筑业协会第
三届会员大会通过投票表决了同意“接受市外的建筑企业成为我会临时会员,连续五年的临
时会员可成为正式会员”的决定,并对《佛山市建筑业协会章程》进行相应的修订。自决定
通过之日起,修订后的的章程生效。
  
  
                               佛山市建筑业协会
                             二○○九年四月二十八日
     
 
 
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