多层钢结构工业厂房结构设计要点概论

2019-02-17曹宇星

四川水泥 2019年7期

曹宇星

（江苏中建工程设计研究院有限公司南通分公司，江苏南通 226000）

0 引言

最近几年，钢结构因其工厂预制率高、施工周期短、抗震性能好和受荷能力强等特性，在各行业领域均得到广泛应用。在设计多层钢结构工业厂房时，设计人员应当在前期设计环节就建立完整的设计理念，将钢结构的优势特性充分发挥，满足工业厂房的各项需求。另外，在多层钢结构工业厂房结构设计中，要遵循设计的理念，同时结合以往成功工程设计经验，尤其是要做好设计过程中的要点把控。

1 钢结构多层厂房的特点

和普通的民用钢结构相比较，多层钢结构厂房有很大的优势，其中有：第一，针对多层钢结构厂房，可以满足生产设备的布置和原材料的堆放以及其他生产功能的基本要求，荷载承受能力一般可以达到2.5～20kN/m2的范围，相比普通的多层民用钢结构承受能力提高很大。第二，在钢结构厂房中，经常会有集中荷载和悬挂荷载的使用要求，相比普通的多层民用钢结构受荷情况更复杂。其中集中荷载主要是设备在生产过程中的满载重量以及生产过程中出现的震动荷载；悬挂荷载主要是室内运输设备、及水、电、风、工艺管线等。第三，多层民用钢结构的结构平面布置多规整和对称，楼板具有平面连续性。而多层钢结构厂房因为生产工艺的要求，经常会出现结构平面不规则、楼面错层、楼面开洞等现象。因此，楼面完整性较差，如果有地震的发生，更容易出现扭转的情况。与此同时，由于楼面错层导致短柱组效应的发生，会让水平方向的剪力向着局部柱段作用。第四，和多层民用钢结构进行比较，多层钢结构厂房因为生产工艺上的特殊要求，层高一般也会较高，较常见的层高范围是4～8m，同时由于钢结构厂房的内部空间很大，所以柱网一般也较大，以6～18m 的柱网较为常见。

以上是多层钢结构厂房的特点，在设计过程中需要采取多种方法综合分析才能达到正常生产和安全可靠的使用要求。

2 多层钢结构工业厂房结构设计实例

2.1 工程概述

以 A 工程为例，该工程为多层钢结构服装厂，建筑面积是5684.64m2，其中建筑最高的高度是23.30m，一层的层高是5.85m（标高为-1.850m），二～五层的层高均是3.75m，一层在0.97m 标高设有局部夹层，将局部一层层高分为2.82m 和3.03m。根据业主生产工艺的要求，以及工程经济性和施工周期的比较，该多层钢结构厂房纵横两个方向的柱距均确定为6.70m，钢柱采用方钢管，钢梁采用成品H型钢，楼面采用压型钢板混凝土楼面，墙面采用成品NALC 外墙竖板。为了合理的承受整个厂房的荷载，该工程共设置了30 根钢柱，基础也采用柱下桩基承台，采用直径0.6m 长度16.0m 的钻孔灌注桩。

2.2 设计分析和计算

该工程抗震设防烈度为6 度，基本地震加速度为0.05g（第二组），场地类别为Ⅲ类，场地特种周期为0.45s。楼面荷载计算方式如下：第一，缝纫机。每台缝纫机加工作台的荷载是2kN，根据实际设备布置情况可等效为面荷载，作用的位置二～四层楼面。第二，熨烫等设备参照缝纫机的受荷情况也可等效为面荷载，作用位置也是在二～四层楼面。第三，空调风管、电缆桥架及消防管线等重量约0.5kN/m，根据悬挂位置计算实际集中荷载大小，属于悬挂荷载，作用位置各层中平面均有。针对荷载的布置情况和业主实际使用要求，该工程采用STS 钢框架三维建模，采用SATWE 计算分析。

3 多层钢结构工业厂房结构设计要点

3.1 抗震性能的重点关注

无论是单层还是多层钢结构厂房，在进行设计时，结构安全始终是要放在第一位的。工业厂房的安全性方面，最大的威胁因素就是地震。发生地震时，厂房如果设计不合理，会更容易造成损坏甚至坍塌。因此，抗震设计是结构设计的重中之重。尤其是位于地震频发地区的建筑，在设计时要多参考并结合以往的成功案例，适当提高建筑的抗震性能。

3.2 把控结构计算环节

多层钢结构工业厂房在进行结构设计时，应根据不同的结构形式和结构布置采取最合理的计算方法，厂房的各项结构设计计算参数才能由此获得。从安全和经济的角度进行科学分析，要确保原始荷载数据的准确性，从而使得设计的成果得到保障。为此，在结构计算前，结构设计人员要和业主做好充分沟通交流并达成共识，防止在设计理念上出现偏差，导致设计结果出现矛盾，要确保设计成果的质量。同时，在进行结构计算时，应当采用先进的科技方法，遇到复杂结构，更要采用不同的结构计算软件进行复核，确保设计结果的准确性和可靠性。

3.3 合理把控设计“四性原则”

“四性原则”在多层钢结构工业厂房的结构设计过程中需要我们设计人员始终坚持，并合理平衡。“四性原则”主要是指：可靠性、安全性、实用性和经济性。许多工业企业在多层钢结构工业厂房设计过程中，往往只看中经济效益，忽视实用性和安全性。这就需要我们结构设计人员，通过设计过程中的合理把控，在符合国家现行规范的前提下，将可靠性、安全性、实用性和经济性针对每个具体项目做好差异和综合分析，从中寻找出各方都能接受的合理平衡点。

3.4 技术处理要简化

在结构设计过程中，结构设计人员需要从建筑材料的选用以及结构体系的确定方面进行把控，才能最大程度确保多层钢结构工业厂房可靠性，并让其充分发挥自身的设计使用功能。一方面，设计成果要能充分发挥多层钢结构的性能优势；另一方面，针对建筑材料的用量情况要做到科学、合理。利用全面的分析，让钢结构不仅要有支撑的作用，同时还需要有维持工作的作用。就给多层钢结构厂房在结构上提出了更高的标准和要求。为此，设计人员就需要针对设计参数、使用环境条件以及使用功能合理分析和选取，同时要熟练掌握理论知识，对多层钢结构工业厂房的设计方案作出综合的选择，确保施工能够正常的开展。

3.5 横向和纵向设计的把关

横向和纵向的分析在进行多层钢结构工业厂房结构设计之前就应当提前做好。横向设计过程中，要重点将多层钢结构工业厂房使用功能进行分析，确保多层钢结构工业厂房能够符合企业生产的多样性变化。多层钢结构工业厂房结构的纵向设计，主要需要设计人员从安全性和稳定性角度出发，把控设计过程中的重点。另外，在进行多层钢结构工业厂房的节点和构件设计时，除了要考虑抗震性能和相关构造要求外，更应当考虑到施工因素的影响，根据构件是在工厂制作还是现场制作，采用不同的设计方法，从而确保节点和构件的设计性能正常发挥。

3.6 合理设置变形缝

虽然钢结构建筑的变形缝设置限值与混凝土结构相比要宽松很多，但是在设计过程中，设计人员仍应将变形缝的合理设置重点把关，防止建筑应变形缝的设置不当，而导致质量问题的发生。工业厂房的规模一般都比较大，变形缝的设置不当或是施工不当，会对建筑的内、外部使用环境带来很大影响，比如：湿度、温度、变形等问题，严重的会导致生产设备受损甚至工厂停产。因此，设计环节中就应对对变形缝的设置合理分析，才能确保工业厂房的质量、安全和正常使用。