大跨度重载超长工业建筑结构设计与分析

大跨度重载超长工业建筑结构设计与分析

王长亚

广东省轻纺建筑设计院有限公司  广东广州  510180

摘要：工业生产车间环境的建筑物具有大跨度、超长、重荷载、层高高、工艺要求高等工艺特点。本文依据具体工程特性，并参照相关规范，着重探讨了如何布局结构抗震缝，比较并选择适宜的楼盖结构方案，以及进行楼盖结构的温度应力分析。据此，我们提出了特定的构造设计理念和策略，旨在优化建筑的使用效能，同时确保结构的整体经济效益、安全性和稳定性。

关键词：超长结构；大跨度；工业建筑

1建筑结构概况

现代工业设施，特别是电子信息组装和汽车制造工厂，其建筑设计受制于复杂的工艺流程和空间需求，表现出大柱网跨度、开阔无接缝空间、高强度负载以及严格的楼面微振控制等特性。通常，这些工程会选用大跨径、承载力卓越的超长混凝土构造。本文以一座大型汽车零部件制造车间为研究对象，该车间无地下室，共三层，总高度为21.450米，平面尺寸为120m×120m。一至三层用作工业生产，屋顶则作为停车场。建筑北侧设有两条服务于生产和屋顶设施的汽车坡道。结构设计采用了钢筋混凝土框架体系。标准柱距设定为20米，整体平面柱网在X轴方向为6×20m，在Y轴方向为6×20m，建筑平面尺寸约120米，符合超长结构定义。各楼层高度自下而上分别为9.450m、6.0m、6.0m。根据生产需求，楼面活载不低于10kN/m2，远超《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中规定的4.0kN/m2的一般工业厂房标准；屋顶按单层停车场设计，活载设定为4.0kN/m2。楼面和屋顶的恒定负载分别考虑了2.5kN/m2和5.0kN/m2的建筑表层处理。该工程位于抗震设防烈度7度（0.1g）区域，地震分组为第一组，场地类型为第二类，特征周期为0.35秒。由于其大跨度、高强度楼面负载和超长平面尺寸，加上对生产工艺的严格要求，对结构设计提出了特殊挑战。

2结构布置及楼盖结构布置方案比选

为了提升项目的经济效益，鉴于设备可能产生的周期性动载，决定选用普通的钢筋混凝土框架结构作为楼盖设计。楼板混凝土的强度等级设定为C35，平面柱网布局规范，标准尺寸设定为20m×9m。由于柱网在两个方向上的尺寸差异显著，楼板传递荷载的行为接近于单向板，为了优化楼层配置，我们对比了两种结构布局方案：方案一是单向双次梁设计；方案二是单向单次梁设计。基于以往的经验，大跨径结构通常以竖向荷载为主要考虑因素，而高强度钢筋有助于保证施工质量并降低梁的配筋量。然而，当前市场上HRB500及以上强度等级的钢筋供应紧张且价格较高，因此我们额外考虑了使用HRB400和HRB500等级的梁纵向受力钢筋的设计，并进行了钢材用量的比较分析。 通过PKPM-SATWE软件，我们对两种次梁布局策略在实际楼面恒定负载条件下的结构和配筋特性进行了深入研究。比较两种方案，单跨双次梁的布置方式在实际应用中显示出显著优势，其综合材料使用（包括钢材和混凝土）更为节省，经济效益更高。此外，这种设计使得大跨度梁的高度得以优化，有助于提升建筑内部的空间利用效率，因此在工程设计实践中，推荐采用标准柱距的单跨双次梁方案。在梁的纵向承载钢筋选择上，采用高强度钢筋HRB500能有效控制结构用钢量，减少了配筋的需求，有利于现场施工质量和控制。尽管HRB500的价格相对稍高，但对于非主要受力的钢筋，如梁箍筋、楼板钢筋和构造支撑钢筋，选用HRB400可以更有效地控制成本。

3结构布置及结构缝布置分析

在建筑设计中，北侧需规划两个汽车坡道，这些坡道采用梁板结构，并且在进行抗震设计时，必须考量斜撑或楼梯组件对结构刚度的效应。为探究坡道结构与主体结构的整合方式，我们提出两套策略：方案A主张不设置结构缝，坡道与主体结构一体化；而方案B则建议坡道构成独立结构并与主体分离。通过运用PKPM-SATWE软件对这两种布局进行综合评估，结果显示，无论是方案A还是方案B，其结构质量比、最小剪重比、刚重比、层刚度比以及层剪切承载力比等关键计算参数均符合相关规定。针对无地下室的建筑结构，首层未配置结构板，而是直接在原土层经分层压实后铺设适宜厚度的建筑地坪，确保满足底层设备安装和使用需求。基础顶面设定在低于首层地面800mm的位置。垂直方向的结构层层高分别为10.25米、6.0米和6.0米，层高差异显著，可能导致首层成为结构弱点。因此，设计中将首层的框架柱扩大至1100mm×1100mm的尺寸，而从二层楼面往上，框架柱的截面尺寸变为800mm×800mm和700mm×700mm。这样的设计旨在合理控制首层的刚度比例和剪切承载力比例，确保整个建筑的单体结构刚度和剪切承载力沿高度方向平滑过渡。同时，层间刚度比和剪切承载力比符合《抗震规范》的规定。在分析了各种结构缝合策略后，若坡道与主体结构保持无缝连接，坡道的梁对整体支撑刚度的增强会导致最大层间位移比例和最大位移比例超过1.40，逼近规范限制，显示出明显的平面扭转不规则性。这种情况对主体结构的框架梁柱配筋产生显著影响，还在连接区域造成垂直构件的错层，对地震抵抗力产生负面影响。然而，采用设缝方案的计算结果显示，所有整体性能指标均符合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)的规定，没有出现不规则设计的情况。研究发现，通过在坡道结构和主体结构之间设定抗震缝，创建独立的结构单元，可以实现竖向刚度的均匀分布，保持平面规则和对称，符合结构设计规范，确保结构的安全性和合理性。该方案还具备良好的结构刚度和承载能力。

4裂缝控制及温度应力计算分析

对于超长结构，收缩裂缝和温度裂缝的产生主要归因于施工期间混凝土组件的收缩变形，以及使用期间建筑物整体的温升或降温条件，再加上室内与室外的温差等不利因素。因此，在设计阶段，我们根据实际工程条件，主要采取了以下施工和设计策略以减轻施工阶段混凝土收缩变形对结构的不良影响：（1）规划设立施工温度后浇带，结构的纵横向均设定两条宽度达800mm的后浇带；（2）运用补偿收缩混凝土技术，掺入适量的膨胀添加剂或聚丙烯纤维增强材料；（3）提升楼板及框架梁的连续钢筋配置比率。本项目借助PMSAP软件对超长结构在使用期间的温差应力进行全面分析，楼板被视为弹性体，设定的温差范围为±25℃，混凝土构件的影响因子设为0.30，弹性模量降低系数设定为0.80。同时，对楼板在温度变化条件下的应力进行分析，基于此结果以及非温度影响的组合情况进行楼板配筋设计，以确保楼板在温度作用下的最大主应力不超过混凝土的设计抗拉强度ft=1.57MPa。研究发现，在实际设计过程中，楼板的板顶拉通钢筋和分布钢筋的配筋率被设定为0.2%，并且考虑到建筑物的实际特点，如大开窗率导致近外墙结构柱内楼板的温差变化显著，因此周边柱网和电梯井附近楼板的配筋率被提升至0.25%至0.30%，采用双层双向的拉通钢筋策略。

5结束语

针对大规模、重负载、超长工况的混凝土厂房结构设计与评估，主要的发现总结如下：（1）在大跨度构造中适当地应用高强度钢筋，并规范其使用比例，有助于优化结构组件的尺寸，同时降低工程造价。（2）当设计此类单一功能的工业建筑物时，应选择恰当的结构布局及构造缝设定，平面布置倾向于简洁、对称。（3）对于超长构造，采取分段浇筑工艺，配合使用补偿收缩混凝土，以及在楼层板中按区域、方向布置连续钢筋的方法，能够有效地管理和减小楼板的温度应力及混凝土收缩应力。

参考文献

[1]JGJ/3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2011．