基于大跨度单层厂房钢结构设计

高波

摘要: 随着社会经济的迅速发展，钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用，也得到广泛的应用。下文就某单层厂房钢结构设计，探讨了大跨度单层厂房钢结构在中柱抽柱时的一些想法。

关键词: 结构耐久性；结构体系；轻型钢结构屋面

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

单层厂房采用的结构形式，随着吊车起重量、厂房跨度．高度及屋面材料材质的不同，主要采用钢筋混凝土结构和钢结构体系两种。当吊车起重量超过20t，跨度大于36m。屋面采用双层彩钢板时，则—般采用实腹式工字形钢梁、钢柱的全钢结构。这种厂房自重轻，跨度大，施工周期短。

某单层联合厂房由2个连续的40m跨组成．厂房总高21m，南北向长80m，东西向长210m，柱距7.5m；设单层吊车。吊车轨顶标高15.00m。每跨均设2台A5级100t桥式吊车。工程总建筑面积1.68×104m2。该项目是“十五”期间国家新型建筑材料实验急需的重点项目。上部主体结构采用全钢结构；屋面采用双面镀锌彩钢板；墙面围护采用双层镀锌彩钢板。

2 荷载和作用

结构耐久性设计年限为50a，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为6度，谢寸地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g。场地土类别为Ⅱ类。水平地震影响系数最大值取0.04；建筑结构阻尼比取0.05；特征周期为0.35s。50a—遇的基本风压ωo=0.35kN／m2，地面粗糙度为B类。根据50a—遇的基本雪压ωs=0.40kN／m2，屋面活荷载取值为0.5kN／m2。

3 结构体系选型

根据厂房工艺要求，屋面采用双面镀锌彩钢板。结构体系有(1)预制钢筋混凝土柱，轻型屋面梯形钢屋架和(2)钢梁钢柱两种体系可选择。按照当前市场实际情况，预制构件加工时间长、运输不方便，自重较大、吊装不方便等情况。采用钢梁钢柱的全钢结构体系。钢柱部分。由于柱距边柱采用7.5m，中柱为15m，排架柱分二段，下段柱采用格构式钢柱，上段柱采用实腹式工字形钢柱。吊车粱采用实腹式工字形钢吊车梁，并没制动体系。边歹|胜吊车梁距辅助粱(热轧H型钢)中心线较小，制动体系为吊车梁上翼缘、制动板和辅助梁组成。中列柱吊车梁制动依系为相邻吊车梁上缘和上弦制动板和下层水平支撑及中间二遭垂直支撑组成的制动体系。

按委托方要求，屋面采用双面镀锌彩钢板．鉴于屋面板自重较小，约为25kg；屋面钢粱跨度为40m。经过试算，若屋面粱部分采用实腹式工字形钢梁，单榀刚架用钢量约为150kg／m；若采用钢屋架体系，单榀刚架用钢量约为250kg／m,因此屋面粱采用实腹式屋面梁的形式。

钢结构主材材质选用Q345B级钢，型钢材质选用Q235B级钢。

由于本工程厂房长×宽为210m×80m，建设地点属非采暖地区，按《钢结构设计规范}(GB50017--2003)第8.1.5条不需设温度伸缩缝。厂房中部设置3道上下柱双片柱间支撑．两端部设置上柱柱间支撑以传递纵向水平力。屋面粱间距为7.5m；由于中柱为15m，在中柱相邻柱间设实腹式工字形钢托梁，以支承中间屋面粱。

由于屋面梁高度最小在1200mm，屋面参考钢屋架的支撑体系也采用上下双层支撵体系；屋面结构体系配合柱间支撑位置，在屋面梁的上翼缘及下翼缘处设置横向支撑及在屋面梁上下翼缘之间设置竖向支撑，并在边柱的柱头设水平系杆，中柱的屋面粱上翼缘和下翼缘处设置通长纵向水平支撑，以上三种支撑组成稳定的屋面空间体系。

4 计算简图与方法

横向排架设计：由于该厂房高度较大，且吊车起重量较大，主要是跨度为40m。超出一般厂房设计的36m；为提供较大空间刚度，采用刚接排架，即屋面粱与排架柱采用刚接，并将钢梁钢柱的拼接位置设在柱头挑出2m的弯矩和剪力较小处，如图1。

图1 节点示意图

通过试算并经调整，排架几何计算高度取值如下：排架柱底部，取至基础顶部；排架顶部，取至屋面梁端部高度的形心线处；变阶点：取至肩梁的顶面。排架横向计算跨度取柱形心线之间距离。在初步选择柱截面时，在使吊车梁中心线与吊车肢重合的情况下，要保证吊车与柱的安全距离，尽可能使吊车跨距是标准的。同时尽可能使排架为对称或呈基本对称。排架立面示意见图2。

图2 刚接排架简图

横向排架的计算分析采用中国建筑科学研究院编制的STS钢结构计算软件进行，对单榀排架进行计算分析。在利用STS建模计算时，由于程序将柱视为位于其形心线的实腹杆件，因此屋面梁对上柱形c、的偏，c、引起的弯矩程序不会记人，需由人工输人。此外，吊车及其制动系统自重和该自重偏心B l起弯矩均由人工输入。

屋面荷载按均布荷载布置在屋面梁上；排架的变形分析含风荷载标《瞄作用下的柱顶水平位移；单台最大吊车水平荷载标准值作用下排架的位移，由于本工程的吊车工作级别最大为A5级。吊车水平荷载作用下位移参考《钢结构设计规范》第A2.2条关于厂房横向变形容许值H1250规定进行控制。

在验算柱截面时，STS程序按以下4种组合，取柱各控制截面的内力组合：

1)最大的正弯矩+M max及对应的轴向力N和剪力V；

2)最大的负弯矩－M max及对应的轴向力N和剪力V；

3)最大的轴向力N max及对应的正弯矩十M和剪力V；

4) 最大的轴向力N max及对应的负弯矩－M和剪力V;

纵向排架设计：厂房纵向排架刚度由柱间支撑保证(忽略柱刚度影响)。由于厂房设单层行车，故所有的钢柱柱间支撑设为二段，下段柱柱间支撑在温度区段中间l／4处各设一道(共三道)，E段柱柱间支撑分别在端部及与下段柱间支撑匹配处设置(共五道)。在进行柱间支撑设计时。由于中柱抽柱，应加强中柱柱间支撑的刚度，以保证中柱列同边柱列的纵向刚度相适应。排架分析计算结果见表1。

表1排架分析计算结果

5 构件及节点设计

5.1屋面梁设计及与柱刚接节点

屋面粱设计时，计算过程中荷载考虑全跨荷载及半跨荷载。全跨荷载为恒载+可变荷载载组合；半跨荷载为全跨恒载+半跨可变荷载载组合和屋架自重+半跨屋面板自重+半跨活载。同时屋面荷载还需考虑活荷载的最不利布置。

屋面梁与钢托梁连接要考虑钢托粱上翼缘失稳时，屋面梁对其形心的偏心及屋面梁下翼缘对其推力而产生的扭矩。为此，除考虑屋面梁下平面沿托架跨度方向设置通常纵向水平支撑的有利作用外，同时在钢托梁的左右两侧设置，增强其平面外刚度。屋面梁与中柱处的连接及钢托梁与钢柱连接刚接节点如图3。

图3屋面梁与柱刚接节点

5.2屋面梁与钢托梁铰接节点

由于厂房中柱处抽柱，中柱处采用钢托粱支撑中间部分的屋面梁，钢托梁截面采用实腹式工字形截面，屋面梁与钢托梁铰接节点如图4。

图4托架梁隅撑详图

5.3山墙墙架构件

由于厂房高度较大，为减少山墙墙架构件计算长度，在上下层吊车梁顶面各设—道抗风桁架；为保证山墙墙架构件的的侧向刚度，在每跨山墙墙架构件间均设置—道柱间支撑。

6 结语

对于大跨度单层钢结构厂房设计，应根据厂房的工艺设计理念，确定合理的结构体系；不同的厂房工艺要求必须采用不同的结构体系来支持。针对跨度超过30m的大跨度屋面体系，应适当增强屋面支撑体系，以加强屋面的整体刚度，防止屋面因为风荷载、雪荷载等活荷载的不利影响而发生破坏。特别是在地震灾害及暴雨、暴雪等的不利气象频发条件下。应着重考虑活荷载的不利布置，增强厂房全刚度，才能保证大跨度钢结构体系的稳定。