重型钢结构厂房结构设计分析——以越南台塑河静钢厂工程为例<br/>

重型钢结构厂房结构设计分析——以越南台塑河静钢厂工程为例

2021-10-23张继涛

工程技术研究 2021年15期

张继涛

中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710000

重型钢结构厂房设计在结构柱选型、屋面及柱脚等方面要求严格，国内对重型钢结构厂房设计已有大量的工程实践。一般重型大跨厂房采用结构形式为排架柱加网架屋面形式。温庆东等[1]对某大型炼铸钢厂房结构设计进行了分析，该厂房柱选型为格构柱截面，可以节约用钢量约25%。赵永全等[2]通过对大跨空间结构进行有限元分析认为，网架设计需要采用整体分析模型，不能简单地采用单独网架模型进行分析。魏强等[3]通过某体育馆整体与局部建模相结合的计算方式对该体育馆进行了分析，认为在合理考虑下部支撑及支座刚度，上部钢屋架可以单独建模进行计算。吴勇军等[4]通过分析钢网架屋盖和混凝土支承框架的整体性认为，整体建模分析比传统上下部分开建模计算更为精确。李社生[5]对某多层大空间体育训练馆的混凝土框架柱支承和网架屋面进行了整体计算分析，考虑结构空间协同作用工作，确保了结构整体稳定。郑念屏[6]对某大跨超重钢结构厂房进行方案对比分析，厂房结构柱最终选择四肢格构柱，在满足结构强度与稳定要求同时，减少了用钢量。赵宏康等[7]对某重型厂房选型进行了分析，采用了四肢格构柱及网架屋面结构形式。

文章总结了诸多学者的研究成果，针对某重型大跨钢结构厂房设计过程中遇到的技术难题及解决措施进行了分析总结，可为同类工程提供新的思考和建议。

1 工程概况

台塑河静钢厂工程位于越南河静省工业区，项目主要建筑物为钢结构全天候雨棚，属于重型钢结构厂房。项目建成后将成为该地区标志性建筑，经常受到政府等各类人员参观。台塑河静钢厂工程建成效果图如图1所示。

图1 台塑河静钢厂工程建成效果图

该全天候雨棚是为满足各种天气条件下的船舶进出港口（需满足大跨度及单层高度要求）的货物装卸作业（需满足重型吊车荷载要求）而设计的建筑物。该建筑面积约18792m2，厂房纵向长度为142.8m，横向长度为116m，吊车轨道顶标高45m，檐口高度为48.58m。具体如图2～图5所示。

图2 平面布置图

图3 剖面图

图4 整体计算模型图

图5 主要格构柱布置图

厂房共设4台550t/50t双桥式吊车，分别在每一横向跨度内布置2台吊车，4台吊车可同时进行装卸货作业，吊车平面布置实景图如图6所示。该钢结构厂房单层建筑高度、跨度在国内均比较少见。文章将对该钢结构厂房结构设计过程中的特殊之处做详细分析。

图6 吊车布置实景图

2 设计基本数据

抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组第一组，场地土类别为II类；基本风压值按照越南相关荷载规范取值为1.55kN/m2（按20年一遇平均最大风速取值），转换为国内荷载规范基本风压为0.91kN/m2[8]；屋面为上人屋面，设计活荷载为2kN/m2；4台吊车为双桥式软勾吊车。

3 结构设计难点

3.1 结构柱设计选型

根据实际需要，该工程长度方向共14跨，一共49根柱，其中包括4根抗风柱，柱截面选型应考虑以下方面：其一，房屋为单层结构，层高、跨度均较大；其二，建筑物共设4台吊车，4台吊车可同时作业，同时作业产生的吊车荷载作用大，对侧向位移限值条件高；其三，建筑物地处海岸环境，极易遭受台风等极端恶劣天气影响；其四，前期安装运输及后期运营维护应在设计过程中综合考虑。

基于以上原因，初步设计考虑采用格构柱截面，格构柱整体刚度大，对控制侧向位移贡献大；格构式柱将弯矩转化为分肢柱的拉压力平衡弯矩。

（1）分肢截面选择。格构柱通常采用四肢格构柱、三肢格构柱或双肢格构柱等形式，其分肢截面可选择圆钢管或者型钢等形式。对此，方案设计从侧向位移，用钢量等方面进行对比。选择单位重量基本相等的圆形截面及H型截面进行对比，圆形截面尺寸为D600mm×16mm，H型截面尺寸为H400mm×400mm×22mm×28mm；在圆形截面单重略小于H型截面的基础上，其回转半径更大，即能提供更大的抵抗弯矩；且对于拼接连接，圆形截面所用螺栓更少。综合对比，在重量相当的情况下，所提供的抵抗弯矩相差在15%左右；考虑采用相等的抵抗弯矩情况下，分肢采用圆柱截面比型钢截面节约造价约12%。因此，最终格构柱分肢截面采用圆形截面。后期运营成本主要考虑结构的维修维护，由于结构位于近海岸，长期受到沿海潮湿环境大气的侵蚀，后期需对格构柱面漆重新进行喷涂，在满足设计要求的前提下，圆形截面表面积最小，便于二次维护。

（2）局部抗风系数。主体结构为格构柱，在超过结构设计风荷载作用下，可允许其墙面等维护结构受到一定程度的损坏。在维护结构损坏的情况下，风力可直接从结构面穿过，以减轻结构主体承担的风荷载作用，因此需要考虑分肢结构的局部风荷载。根据荷载规范查表得到圆形截面体型系数μs=1.0，型钢截面体型系数μs=1.3。对于风荷载，圆形截面更有利于减小风荷载。在实际建成投产以后，该项目于2017年经历了正面登陆的19号强台风“杜苏芮”，中心风力达到14级，结构主体完整无损坏，仅部分维护结构遭到破坏，进一步印证了结构设计的合理性和安全性。

（3）格构柱安装。根据初步确定的格构柱计算方案，单根格构柱总长约45m，最大单根格构柱重达到110t，这对于运输及安装要求都很高。考虑格构柱主要加工制作在国内加工厂，在设计过程中将格构柱分为4段，通过海运方式运输。格构柱的拼接可采用对接焊接及法兰盘螺栓连接方式。由于焊接在现场实际操作中较为困难，且多为高空焊接作业，对施工要求高，实际施工过程不一定能够满足结构设计要求。因此，结构拼接采用螺栓拼接。在设计排架柱的过程中充分考虑了各方面的因素，目前建成后的全天候雨棚运输安装已顺利完成，并投入生产。

3.2 屋盖体系设计

（1）整体协同分析。本结构单体跨度为58m，属于中跨网架，每横向跨度内设置两根格构柱抗风柱，同时也作为网架支座，属于多边支承网架结构形式。网架结构形式相对比较成熟。主要难点在于：①是否考虑网架屋面与排架柱共同受力，整体计算分析或分别单独计算。目前此类结构设计采用整体计算模型为主。整体计算时，结构前三阶振型分别为X向平动、Y向平动、扭转；单独计算网架时，前几阶振型均为上下振动，整体计算更符合实际情况。②网架支座刚度的选择对网架结构相对影响较大。笔者分别按网架支座刚度为2kN/mm、10kN/mm、100kN/mm、铰接等四种情况对网架进行分析。结果发现，随着支座刚度的增大，网架整体用钢量增加；最大变形，最大支座位移逐渐减小。通过对比分析并结合实际情况，最终选择网架支座刚度为10kN/mm，此时网架跨中最大位移为181mm，网架用钢量为44kg/m2。

（2）积水荷载。该项目处于近海岸环境，屋面雨水充沛，屋面活荷载较大。屋顶设计为结构找坡，可在一定程度上减少屋面雨水积水荷载。对雨季部分位于沿海地区的厂房进行调研，结果显示，屋面建筑的坡度即使达到1∶15，短时间内的大量降雨，加上风荷载与雨水流动方向相反时的阻碍作用，屋面仍会在短时间内堆积一定量的雨水，这一部分荷载主要集中在屋面边缘5～6m内，该部分荷载在设计过程中也应充分考虑。该工程实际建成后，在强暴雨时对屋面进行实时监测，发现确实存在短时间内的积水荷载。虽然此部分荷载小于上人屋面活荷载取值，但是不大于上人屋面荷载0.5kN/m2。在荷载规范中暂时尚未列入该荷载，但是作为设计人员，应充分考虑可能存在的所有设计荷载，且在以后相关的设计中，在靠近海边、短时间降雨量较大的环境中，应在结构局部范围增加相关荷载验算，也可采用增加落水孔等其他措施减少此部分荷载。

3.3 柱脚设计

钢结构柱脚形式主要为埋入式柱脚、外包式柱脚及外露式柱脚。考虑到该全天候雨棚结构的重要性，及建成后会吸引较多当地重要来宾参观，设计时在保证结构安全的情况下，还需充分考虑结构的美观性，因此采用埋入式柱脚形式，即刚性连接柱脚。

（1）柱脚抗剪键。由于结构受力荷载大，柱脚设计难点在于抗剪键设计。传统底板使用抗剪键已经无法满足该结构设计要求，且我国相关规范在柱脚进行设计计算时并不考虑锚栓参与抗剪。对于格构柱而言，柱脚的抗剪主要是由于分肢抗拉与抗压引起的，为此在设计结构时，笔者提出了一种新形式的抗剪键设计，具体设置如图7所示，通过焊接在柱脚的工字型截面钢，承担两个方向的剪力。其他构造措施按照规范要求正常设计。

图7 抗剪键设置

（2）抗剪键简化计算。假定结构的主要剪力全部由设置的工字型型钢截面承担，偏安全仅考虑由一侧抗剪键承担全部剪力；且同时偏安全的取柱脚所承担弯矩的10%施加于工字型抗剪键。验算工字型截面在压弯作用下的强度及稳定计算，还需要验算钢柱脚内填充混凝土的局部抗压及工字型截面钢在基础处混凝土的局部抗压计算。

3.4 水平位移控制指标确定

在整体计算过程中，由于全天候雨棚生产主要使用4台吊车装卸货物，为保证吊车的正常使用，需控制吊车梁的梁顶水平位移差及纵向位移差。文章限于篇幅，仅讨论在设计过程中需要特别注意的位移指标。

根据相关规范规定，在风荷载作用下结构柱顶水平位移为H/400（H为柱高度）。柱顶水平位移将导致吊车梁水平位移过大，将会引起吊车梁在行进过程中的卡轨现象。同一吊车梁两侧的格构柱位移应尽可能保持协调，以避免因吊车两侧标高不一而产生卡轨，同时吊车梁每侧纵向吊车梁也应保证在相关规范要求限值内，以保证吊车正常安全使用。

目前相关规范仅规定了柱顶在风荷载作用下的水平位移，为了使结构设计更加合理，笔者在结构设计过程中，针对每一列柱的水平位移均尽量控制协调。这一方面主要体现在格构柱的设计上：通过合理布置柱距及设计格构柱截面，最终既满足了相关规范设计要求，又满足了吊车梁对水平位移的协调一致要求。