单层钢结构厂房结构优化设计方法探讨

黄一波

（武钢建工集团金属结构公司 湖北 武汉：430080）

单层钢结构厂房是常见的一种厂房，冶金企业的热轧、冷轧、硅钢等所用的厂房都属于这一类，门式刚架厂房也属于这一类。在门式刚架厂房中，如果吊车起重量、柱距等均超出了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的适用范围，计算时不能用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，应该采用的设计规范是《钢结构设计规范》（GB 50017－2003）。

冶金厂房生产工艺复杂，管线很多，一般是联跨结构，而且跨度大，长度长，通风和采光要求高。设计中，应本着技术先进、经济合理、安全可靠的原则。在材料选材上，所需要的钢材应立足于市场常见材料，在结构选型上，应力求简洁明快，经济实用。优化设计，降低用钢量，不是结构一个专业的事情。做好优化，前提是在满足各专业的具体要求，不能牺牲掉厂房的使用功能而所谓优化。本文着重从经济适用这个方面讨论结构优化的方法。

1 确定厂房柱最经济的柱网布置

了解场地条件和总图（包括道路特别是场内道路布置），确定柱距。场内道路宽度范围内不能布置柱子。根据轨顶标高、轮压、厂房高度、屋面荷载等重要参数并结合柱间支撑角度确定最合适柱距。

（1）关于柱间距。按照经验，对于轨顶标高不高（12米～15米）、吊车起重量不是特别大的厂房，基本柱距为12米～15米左右，那采用12米柱距合适，还是15米柱间合适呢？针对具体工程，不同的场地条件、使用要求，由于没有大量的数据对比，还不能说15米柱距就比12米柱距整体耗钢量小些。但是为了控制整个工程预算，在初步设计阶段，结构专业就应该与各专业沟通。比如对建筑专业应提出要求，可用可不用天窗就坚决取消天窗。如果一定要用，就建议采用自重相对较轻的成品通风器，不要使用传统天窗。屋面彩板在满足使用年限的前提下尽量使用自重轻的材料，这样达到降低屋面自重、扩大柱距的目的，从而为进一步降低整个工程造价提供了有利的条件。

总之，由于各工程具体条件与设计参数各不相同，在工艺与建筑等布置合理适用的前提下，结构计算与控制指标精益求精，采用12米柱距与15米柱距都是可行的。理想状况是做到屋面梁与吊车梁的强度和挠度同时达到控制标准。需要注意的是，在厂房纵向不长时，柱距偏大，柱间支撑不好布置（往往结构理想位置难布置，支撑角度又不好），厂房整体刚度偏不利，耗钢量优势体现不出来。

对于轨顶标高（大于25米）和厂房高度较高厂房结构，因为设计指标主要由横向刚度控制，采用12米或15米柱距恐怕就不经济了。很多厂房均采用基本柱距18米。

（2）少拔柱或不拔柱的情况。在方案与初步设计阶段，如果能积极地了解工艺基本宽度要求，在场地容许与满足工艺基本要求的前提下，完全可以做的少拔柱或不拔柱。要避免布置托架和大跨度吊车梁，大大增加用钢量。所以少拔柱或不拔柱对结构计算与构造、整体刚度与耗钢量指标的优化有很大意义。柱距的选择没有必要坚守3米的模数。模数的概念是由于以前采用标准的大型屋面板和墙板或砌体，现在厂房的建设方式变化了，都采用工厂或现场制作的钢结构，遵从模数没有多大意义。可以先将超过基本柱距的柱子按工艺的基本要求布置下来，余下的柱距按基本柱距布置，没有必要所有柱距非要12米或15米或18米。这样可减少计算工作量，减少构件种类。

2 厂房最小高度与最小柱肢宽度的确定

确定厂房高度先要准确弄清工艺的要求，看准制造厂的吊车资料。一般是建筑专业按工艺专业要求先行，但是否准确，特别是与厂房结构内部各有关系统是否打架，需要具体分析，有时需要放大样。厂房高度与吊车桥架上小车的净空要求直接有关，如果有单轨吊时，由屋面单轨吊检修走道以下的净空控制。走道上有走人的净空要求，不能让檩条碰头，又要照顾到单轨轨底标高之间的关系。另外，还要考虑管道布置（如过跨的雨落水管）、屋面结构的挠度等因素，这是基本要求。当相邻跨厂房高度相差不大时，最后统一高度。当工艺将吊车跨度Lk确定后，从吊车资料上，可以了解吊车端部长度、距上柱最小宽度要求，通过计算和人孔构造（一般宽度≥400mm）要求确定了上柱截面高度及确定了吊车辅助系统的最小宽度要求后，下柱的基本宽度就确定了。

另一方面，下柱横向肢距也不能太小，首先，不利于管线布置。对于高跨厂房，需要很大的横向刚度，通过上述方法确定的双管柱柱肢宽度往往不够，特别是对于弯矩起决定作用的边跨柱。当确定了较大的下柱横向刚度后，下柱截面大小往往由单肢平面外稳定即肩梁高度控制。所以对高跨厂房，一般在下柱中部设有纵向管桥，可以减小下柱平面外计算长度，对控制下柱截面直接有效。要想获得较精确的经济指标，需要反复试算。由于加大双肢柱距并不影响下柱本身的钢材量（只是柱肢斜杆增长），但获得了较大的横向刚度，分配的弯矩增大了，屋面横梁与上柱分配的弯矩相应小了，断面可以小些，对减少耗钢量有意义；同时对抗震设计有意义（强柱弱梁），当然，也不能因此使基础面积或桩数有实质性增加，避免增加工程量。

3 基础埋深

基础埋深与建筑（构筑）物高度有关系，与地基条件有关系。北方寒冷地区还要考虑冻土深度。按现行《混凝土结构设计规范》第3.4节关于耐久性规定，严寒和寒冷地区的露天环境、与无侵蚀的水或土壤直接接触的环境属二（b）类环境，混凝土最小等级为C30，其配比还有限制要求。这点对设计北方工程不要忽略，《混凝土结构设计规范》第3.4.5条关于混凝土抗冻要求也要注意。

厂房柱基顶面标高一般均做在－1.0米～－1.5米。钢柱脚埋在土里还需要混凝土保护，原因是靠近设备基础较近的柱基表面、柱肢之间可能布置管沟。如果没有管沟或管沟可以绕过，基础顶面可以做高一点，可以减小柱子计算长度，节省钢材。

4 单层厂房各系统的优化实例

根据以上原则，在某大型钢铁公司硅钢厂主厂房1区的设计中采用了上述办法的一部分优化措施。经过优化钢结构用钢量降到145kg／m2。

4.1 柱网确定

该主厂房面积212400平米（见图1），跨度分别为27米，30米，39米，42米，轨顶标高13米左右，柱距选择为15米。这样的柱距比12米柱距节省柱子数量，也更能更好的利用地面空间。

图1 主厂房1区柱网图

4.2 厂房框架体系

经过比较，本工程中采用了排架结构而不是刚架结构（见图2）。车间轨面不太高的格构式钢管混凝土下柱的阶形柱钢结构框架体系中，排架结构比刚架结构更经济：厂房上部结构可以节省约5%以上的钢材，基础一般也会比刚架结构省。主要原因是排架体系中屋架没有传递弯矩给柱子，柱子本身受弯比刚架体系要小，所以上柱断面可以设计得更小。柱脚的弯矩相对钢架体系也小，所以基础也受弯小，可以设计得更经济些。

图2 排架结构

4.3 厂房钢结构构件系统

4.3.1 屋盖系统

与建筑专业沟通，针对本工程柱距，跨度的特点，采用大波高压型板，使最大檩距达到4.5m，减少了檩条数量，减轻了自重。很多轧钢厂房的天窗均采用了成品气楼，其自重轻，相应厂房结构此项荷载比传统天窗小，耗钢量小，厂房抗震性也好。本次设计采用的成品气楼为4.5kN／m，比较轻。檩条：采用蜂窝梁，在保证强度和刚度的同时降低了自重。屋盖屋脊最高标高为23.6m，满足了检修单轨吊的净空的最小要求。

图3 蜂窝梁式檩条

4.3.2 吊车梁系统

为了达到强度和变形控制的统一，我们在翼缘和腹板设计中突破了规范对吊车梁腹板高厚比h0／tw和翼缘宽厚比Bf／Tf的构造要求的限制，采用局部屈曲理论，优化了断面，减少了加劲肋，大大降低了用钢量。

4.3.3 柱子系统

目前设计规程对钢管砼柱长细比限值是80，我们消化学习了近年来的技术文献及工程案例，又结合本工程受力特点，将长细比控制在100左右，与常规设计相比，技术上有了进一步的突破，大大减少了柱断面，降低了用钢量。上柱宽度1000mm，满足刚度及人孔构造的要求。

4.3.4 墙皮系统

经过比较测算，结合该地区工程特点（风压小，厂房高度变小），采用7.5m标准，减少墙皮柱，比常规设计的5m标准大大节省了用钢量。

4.4 基础系统

本工程基础底面标高为－1.5m。另外为节省投资，经过比较，在基础设计中采用新做法：基础短柱中间开孔。这样虽然增加了少量的钢筋，但综合混凝土量的减少，总的工程量仍然少。

5 结论

结构设计时要尽量优化，达到经济合理的目的。根据该工程不同的场地条件和使用要求，选择适当的优化手段。结构优化还有很多方法，总的目标是更加经济适用。随着新技术、新材料的不断的使用，相信会有更好的设计优化手段出现。

［1］中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017－2003）［S］.

［2］中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范（GB50007－2002）［S］.

［3］中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范 （GB50010－2002）［S］.

［4］钢结构设计手册（上、下册）［M］.北京：中国建工出版社，2004.