单层超高大跨钢结构厂房概述

徐凡 吴涛 吴建良 赵宏康 汤翔宇

[摘要]以某超高大跨钢结构厂房为工程实例，对该工程结构的选型、整体计算、关键节点进行分析。指出此类超高厂房的控制指标是风荷载下的水平位移，提高结构柱的刚度是设计的关键，超高柱采用四肢钢管混凝土格构柱能有效、经济地达到预期目标。上下柱连接节点采用双向肋板加劲的穿心板式肩梁设计、高低跨过渡连接节点采用劲板转换，构造简单、传力明确、施工简便。

[关键词]超高、大跨；钢管混凝土，格构柱；节点设计

1工程概况

本工程位于建筑用地面积为100641平方米。拟建新建厂房工程建筑面积为60803平方米。主体建筑物分为7个区域（综合考虑使用功能、抗震、温度因素）：其中6个区域的房屋高度在22米左右，最大跨度为40米，单跨钢排架结构体系；一个区域高、中、低塔交错结合，低塔高度在16米～20.9米间、中塔高度40米、高塔最高75米，最大跨度36米（本区域为第6区域，后文用“本区域”表示）。

2 结构选型及抗震措施

（1） 结构选型

本区域高、中、低塔交错结合，为多跨钢排架结构体系。其中单层层高最高达75.2m、单跨跨度达36m。

为满足风荷载作用下的侧移要求，需要结构有较大的侧移刚度，而单层超高厂房结构的侧移刚度主要由结构柱提供，结构柱的设计是此类结构的关键[1]。对于此类超高厂房柱截面一般可采用型钢柱、实腹型钢格构柱、钢管格构柱、双肢或多肢钢管混凝土格构柱。近年来快速兴起的钢管混凝土技术为提高格构柱刚度、同时有效控制造价提供了一条有效途径。钢管混凝土具有承载力高、塑性好、抗震性能好的优点，用于超高大跨厂房格构柱的柱肢更能有效降低结构造价。

本区域中、高塔部分，柱形式分别选用双肢、四肢钢管混凝土格构柱，并分别与单榀、双拼屋面钢桁架构成大跨单层刚架体系；低塔部分采用实腹型钢格构柱，其和实腹型屋架钢梁构成单层刚架。

刚架底部均固结，格构柱顶部与桁架（或钢梁）的连接均采用刚接；沿刚架纵向设置多道柱间支撑、纵向系杆，以传递沿纵向水平作用。在屋盖桁架下弦设置封闭的屋面横向/纵向水平支撑分配、传递水平作用。在钢桁架屋架上弦设置屋面横向水平支撑、刚性系杆以及竖向支撑以确保屋盖结构的刚度和稳定性。

本区域端部山墙设抗风柱。其顶端与屋面桁架下弦或钢梁下翼缘的连接采用长圆孔螺栓形式，确保只传递水平作用、不承受竖向作用。抗风柱自身之间均设刚性系杆以确保抗风柱的平面外稳定，部分抗风柱由于建筑功能需要不能落地，设置钢桁架来支托抗风柱。

（2） 抗震措施

工程设计时，采取合理的抗震措施来保证结构的可靠性[3]。

第一，加强整体结构支撑体系的布置，提高支撑结构的冗余度；

第二，格构柱柱脚采用埋入式刚接构造。

第三，设计时合理构造节点，使节点受力合理、传力明确可靠，使节点的极限承载力高于杆件的极限承载力，即做到强节点弱构件；

第四，严格控制支撑构件的长细比。

3结构空间整体分析

本工程钢结构纵向排架通过柱间支撑、腰桁架（沿竖向约10米距离设一道）传递水平力，在屋面通过屋面水平支撑系统形成完成的结构体系。

四肢钢管混凝土格构柱的柱肢按“相等轴向刚度、相等抗弯刚度”[1][2]原则折算为钢管柱肢输入整体模型计算，支撑构件一般按长细比确定截面，充分利用构件截面的几何特性，型钢柱交叉时，弱轴在面内，强轴在面外，减小弱轴的计算长度，控制支撑截面大小；圆管柱柱间支撑采用钢管便于缀条与柱肢的连接。厂房每榀刚架之间支撑系统提供了较大的刚度，平面分析时应考虑平面外支撑刚度所产生的内力叠加。

（1） SAP2000与MIDAS Gen分析

设计时选用SAP2000和MIDAS Gen两种软件分别对结构进行整体分析，计算分析得出两种软件对本厂房进行空间整体分析的各项控制指标较为接近，较准确的模拟了结构整体的空间受力性能，得出了各结构构件的内力，各项指标均满足规范对此类结构的设计要求。

（2） 整体弹性屈曲分析

在6区空间整体计算模型基础上，设计时进行了整体弹性屈曲分析。设计时考虑的屈曲荷载工况为竖向荷载D+L+0.5DC（1.0恒荷+1.0活荷+0.5吊车荷载）工况，设计初期屋面支撑系统单一取H型钢或圆管，屈曲稳定的第一模态为屋面支撑失稳，屈曲系数为5左右，屈曲系数稍低；后调整支撑系统，交叉支撑为横放H型钢，无交叉支撑为圆管，屈曲稳定的第一模态是柱间支撑失稳且屈曲系数为8.1，是比较理想的情况。

（3）温度应力

本区域总长度192m，总宽度200m，因设备工艺要求不可设缝，设计考虑温度应力作用，以正常室温20度为基准，升温考虑25度，降温考虑30度（即考虑-10度到45度的温度变化产生的温度应力），充分考虑温度应力的不利影响。

4节点设计

（1）柱顶节点

柱顶与屋面桁架的连接是实现厂房横向刚架的关键，应构造合理，传力明确。高塔区屋面桁架与钢管混凝土四肢格构柱柱顶之间连接采用直接焊接的连接方式，屋面桁架上下弦杆与四肢柱顶相连并在四肢柱顶内侧延伸至外侧，加设交叉斜腹杆，将屋架方向平面内荷载有效分配至格构柱四个柱肢，从而形成一个空间刚性节点，较好的解决了屋面桁架与柱顶的之间的可靠传力。

（2）肩梁节点

高塔区四肢钢管混凝土格构柱高75m左右，考虑受力合理及经济性，从下至上，四次收进截面。采用双向肋板加劲的穿心板式肩梁设计，肩梁腹板采用整块钢板，上下柱的钢管先开槽、开坡口，将肩梁腹板插入钢管槽内，然后焊接，并设置纵横向的加劲肋约束腹板[1]。

（3）高低跨连接节点

本区域高低跨之间均采用刚性连接。高塔区采用的是四肢钢管混凝土格构柱，其柱截面为空间形式，中塔/低塔区柱为平面两肢格构柱，屋架采用的是實腹式型钢梁，故中塔/低塔屋架型钢梁与高塔区格构柱相连时在几何关系上错位，无法将屋架作用力直接传递给高塔区柱肢，需进行转换。

该节点既有效的承担低跨屋架的竖向荷载，又确保低跨屋架排架方传来的水平作用。

在四肢格构柱内部低跨屋架方向设置受力板及加劲板，使屋架荷载直接传递给受力板，通过受力板及柱肢上的加劲板，将力协调分配至四个柱肢，确保传力可靠。

（4）柱脚节点

为了实现高塔区柱脚与基础之间的刚性连接，使其符合计算假定。本区域中、高塔部分采用了埋入式柱脚。将内外分肢轴力有效传递给基础，保证了柱脚的刚性，使整体结构安全可靠。

5结语

本区域钢架高低交错，单层高达75米，设计难度较大，设计过程中得到赵宏康总工程师悉心指教。程序分析采用SAP2000、MIDAS等多种模型，确保各项设计指标均满足规范要求。现施工已封顶，各项事宜皆顺利。

参 考 文 献

[1] 赵宏康，陈磊，徐文希. 单层大跨超高厂房结构选型研究及工程设计 [J]. 建筑结构.2012，42（1）：21～26

[2] CECS28：90 钢管混凝土结构设计与施工规程 [S]. 北京：中国计划出版社，1992.

[3] GB50011-2001建筑抗震设计规范 [S]. 2008年版. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 韩昌标，戴雅萍，赵宏康，方有珍.单层大跨超高厂房钢管混凝土柱肩梁的有限元分析[J] 苏州科技学院（工程技术版）2012.，25（4）：46～49