钢结构厂房排架结构设计分析

钢结构厂房排架结构设计分析

乐知非

海南津杭设计工程咨询有限公司武汉分公司,湖北武汉 430000

摘要：现阶段，钢结构被广泛地应用于工业的建设中，而且发展的速度也越来越快。工业建筑在进行结构设计时，每个设计者的设计经验不同，对规范的了解程度也会有差异，因此，在设计问题时，所选择的处理方式也会有所不同。下面本文就钢结构厂房排架结构设计进行简要探讨。

关键词：钢结构厂房；排架；结构设计

1钢结构工业厂房特点及发展历程

1.1钢结构工业厂房特点

第一个特点是钢结构的大跨度。目前国内很多工厂的设计，都是为了满足大跨度的需要，采用的是大跨度的钢结构，钢结构最大跨径可达48米，相对于传统的钢筋混凝土框架，在不改变梁高的前提下，实际开口间距比钢筋混凝土大50%以上，因此能有效地增加立柱的弹性。该特性使得钢结构在纵向温区长度超过300米，横向温带长度为150m，完全符合有关要求。第二个特点就是钢制的建筑比较轻巧。在厂房的设计和施工中，钢结构相对于常规混凝土结构来说，具有较低的质量，从而极大地减轻了基础的荷载。此外，钢结构体系在很大程度上克服了混凝土结构抗震能力差、施工技术复杂等缺点，其是一种应用于民用建筑项目的材料，其耐久性得到了极大的提高，可以有效地延长轻钢结构的使用寿命。

1.2钢结构的发展历程

20世纪50年代中期，国内率先对预应力钢结构进行了研究，率先应用于输料栈桥，国内某年建造了一座25米左右的煤炭栈桥，这是国内首次采用预应力钢栈桥。此后，国内部分学者逐步开发出了冷弯薄壁钢结构，以使其更加符合我国国情。到了70年代末，我国一家工厂已经成功地开发出了一种新的自动式高架仓库，仓库的高度大约在15米，共有13层。随着我国经济的快速发展，钢结构工程建设的步伐也越来越快，空间结构和相应的轻型钢结构也逐渐被开发出来。

2工业厂房排架结构设计要点

2.1构件设计要点

首先，验算各构件组合系数、地震作用效应及重力荷载代表值效应等，获取构件内力设计值后，根据现行《建筑抗震设计规范》，以钢结构厂房排架结构为对象，验算各节点及构件的抗震承载力。同时，在设计构件抗震时，需对地震作用下可能有局部失稳现象出现的框架梁与柱的翼缘、腹板等部位或刚度强度可能退化的情况予以高度重视，避免受地震的影响而出现损坏。基于此，在设计节点及构件时，梁、柱板件需以规定限制为依据设计宽厚比。

2.2屋面设计要点

屋架结构体系存在有檩和无檩的设计方案。前者具备构件用料省、重量轻、安装运输方便等优点，但其构造复杂性较高、屋盖构件数量偏多，且屋盖横向不具备良好的整体刚度。屋架形式设计中，有必要综合考虑屋面坡度、经济指标、天窗形式、施工及柱子连接方式等。在确定檩条形式时，应以实腹构件为主，较大檩距与跨度的情况下，建议采取格构式或空腹式构件。设计檩条时，通常以单跨简支构件为主，实腹式檩条对应的构件多采取连续型。

2.3节点设计要点

采取增加螺栓或焊缝的方式，能为构造连接强度提供可靠保障。加厚梁柱节点与腹板厚度，或进行斜向、水平加劲肋的增设。节点处采取节点板结合双角钢截面杆件的方式连接，于节点中心汇聚各杆轴线。角钢需保持垂直于其轴线的切断面。

2.4柱脚设计要点

以柱脚受力分析结果为根据，通常由钢接柱脚和铰接柱脚两类组成。钢接柱脚包含外包式、外露式与埋入式三类。外包式的应用常见于单层厂房、低层框架或高层裙房，设计中可依据钢接或铰接。单层柱底是钢接柱脚主要适用范围之一，抗震构造中涉及较高的要求，超过12层的高层钢结构中多采取埋入式柱脚。轻型工字形柱中，在埋入钢柱脚时需以钢柱截面高度至少两倍的数值控制深度；大截面箱型截面柱和H型钢柱，高度需保持钢柱截面高度的3倍以上。外包式柱脚中，可在基础梁顶面或地下室墙内直接安置钢柱。

2.5支撑设计要点

屋架纵向支撑的安置中，安置区域多选择排架横梁支座反力的传递平面，与横向支撑相结合的基础上构成封闭型支撑框架，能赋予厂房骨架更强的空间刚度。从垂直支撑布置屋架的原则出发，屋架不超过30m的跨度时，于跨度中部进行一道垂直支撑的设置即可。温度区段中，在安装使用屋架受压弦杆时，为了保证稳定性或促进受拉弦杆长细比的减少，建议从厂房两端屋架出发，沿纵向设置水平系杆至横向支撑桁架节点间。

3工程概况

某市一小区内的工程，为二层结构，底层层高16m，二层为7.9m的层高，15T桥式吊车位于11m标高处，设置单梁吊车（5T）在垂直楼面的6.0m部位处，屋面设计选择轻钢。两跨，单跨跨度21m，开间7m共计17个。厂房长、宽分别为39m和120m。该厂房屋面从第二个开间起，至倒数第二个开间结束，皆仅需天窗架采光的设计。以现行《建筑抗震设计规范》为参照，结合该地区7°的抗震设防烈度，设计地震加速度值为0.10g即可。房屋为丙类的抗震设防。参照《建筑抗震设计规范》，确定该厂房抗震等级为四。在确保工艺要求得到充分满足，并突出安全性与可靠性的基础上，合理进行力学参数控制指标的制定。

4钢结构厂房排架结构设计

4.1结构选型

该工程二楼楼面涉及相对较大的荷载，因此选择组合楼板，并引入轻钢屋面和框架结构的底层设计，选择排架结构设计二楼。综合各方面因素，厂房结构最终确定为上下部分别为排架与框架的形式。两个方向跨度有着较大差别，故刚度差别较为显著，所以选择框架+支撑结构的框架。现行《建筑抗震设计规范》中提出抗震等级四级且在50m高度以内的钢结构建议选择中心支撑，中心支撑以交叉的框架形式为主，支撑轴线需要交汇两主构件轴线交点。以现行《抗震规范》为根据，应在同一柱间上下贯通的前提下进行支撑的布置，故同样在第5、第13个开间处沿底层布置部位进行二层排架支撑的设置，选择L型角钢的支撑。因设置了天窗架的缘故，为实现天窗架荷载的有效传递，于开间第1和第17的部位进行屋面竖向、水平支撑的设置。如图1所示。

4.2柱截面选型

结构涉及较大的跨度，即21m，底层为16m的层高，开间为7m，存在相对较大的荷载比，如果选择“工”字形钢焊接，长细比要求难以得到满足，基于此，建议选择“十”字钢柱的焊接。二层为7.9m的层高，为轻钢屋面，荷载比偏小，且存在方向一致的受力，因此选择“工”字钢焊接。

图1 层间梁顶标高平面内水平支撑结构

4.3节点设计

框架部分引入STAWE展开计算，连接STS接口，同时围绕全楼展开连接节点的设计。工字形梁连接十字形柱时选择钢柱与悬臂梁端刚性连接的连接类型。梁柱与悬臂段连接中，引入全焊接方式，现场梁拼接时以翼缘焊接腹板螺栓方式进行。为减少材料耗费，与跨度较大的框架梁相比，柱截面翼缘厚度需尽量减小，由此可能引起不乐观的悬臂梁与钢柱连接计算结果。如以梁柱连接为对象，参照抗震规范计算其极限承载力：Mu=487.664＞1.3Mp=473.311,满足。增大盖板需求的厚度Tgb=6，梁翼缘厚与盖板厚总计比柱翼缘厚更大，与设计要求相符合。

5结论

本文简单介绍钢结构厂房排架结构设计要点和抗震设计要点。从结构整体出发，依次明确构件、屋面、节点、柱脚及支撑的设计要点，同时计算厂房纵向刚度，阐明柱与吊车梁的连接，设计出的结构符合标准。同时，从总体布置入手阐明结构抗震性能设计要点并明确结构抗震变形控制与抗震构造细节，最后引入实例展开了设计分析。经验证后确定，本文设计的结构整体与现行《建筑抗震设计规范》相关条例要求相符合。

参考文献：

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[2]刘雪冬,燕家琪.工业厂房结构设计中钢结构设计应用研究[J].建筑工程与管理,2021(06):41-42.

[3]杜俊.工业厂房结构设计中钢结构设计的应用研究[J].建材发展导向,2020,18(03):1.