随着我国钢铁产业的快速发展, 钢材产量和质量不断提高, 价格逐步下降, 钢结构的造价也相应有较大幅度的降低, 对钢结构厂房来说, 更是具有建设周期短, 投入生产快, 可尽早收回投资成本, 钢结构厂房以其优越的结构性能和良好的综合经济效益, 广受企业的青睐, 在现代工厂设计中得到越来越多的采用。
由于各行业工艺条件的要求不同, 工业厂房的平面布置、立面布置具有许多不同的形态, 相应的结构体系也就大相径庭。例如:上海宝山钢铁厂1期和2期工程钢结构建筑面积就达105万m2。厂房结构基本上为单层框架或排架体系。其中部分厂房高度大, 有的车间柱高达50m;面积大, 有的厂房单体建筑面积达22.4万m2;无缝钢管厂跨度和柱距最大48m, 最多的连跨为8跨 (无缝钢管和连铸厂) , 最大长度为1215.6m (热轧厂) ;吊车起重量大, 最大450t (连铸厂) ;而厂房围护结构则很轻, 全部采用彩色涂层压型钢板或铝合金压型板, 自重8kg/m2~1 5 k g/m 2。山东石横火力发电厂 (2×300MW) 汽轮发电机房、除氧间和煤仓间构成联合结构体系, 构件全部采用铰接, 纵向和横向设有垂直和水平支撑, 各楼层也设水平支撑, 形成空间支撑体系。并将水平力按弹性支承点传到锅炉刚架。钢屋架采用由H型钢剖分的T型钢代替双角钢。华能南通电厂一期工程, 纵横向都不设支撑, 横向采用刚架, 构成自抗侧力体系, 纵向则将厂房长度1/3处的4根柱子在纵向加强成T形, 柱间设纵梁, 形成框架以抵抗纵向水平力。
尽管工业厂房的类型多样, 但一般而言, 有如下共同特点。
(1) 结构跨度大、柱子高、有起重量很大的吊车设备。为了传递较大吨位的荷载, 提供较大的结构刚度, 主要承重构件截面大, 采用的钢板较厚。较多采用格构式构件, 以减少材料用量。 (2) 生产过程的磨损和损伤与其他钢结构建筑相比, 可能对结构尺寸的决定起较大作用。 (3) 在设置重级工作制吊车的厂房中, 疲劳损伤及相关设计成为重要课题。
根据前苏联、日本等国的调查资料, 冶金厂房使用3~5年后会出现损伤, 0~15年后的损伤构件可能达到全部构件的50%。对钢结构厂房合理设计研究一直是国内外众多结构工程师的重要研究课题。结合具体工程特点, 开展对钢结构工业厂房结构分析研究, 寻求钢结构厂房安全、耐久性与经济性的最佳结合点, 为工程设计提供可靠依据依据, 具有重要的理论意义和实用价值。
1 我国工业厂房结构设计的发展
结构体系的布置是设计前期的重要决策工作之一, 一个好的建筑设计, 必须要有一个好的结构形式才能实现, 因为结构形式的好坏, 直接关系到建筑物是否安全、适用、经济、美观。由于不同的结构形式具有不同的静、动力学特性, 结构形式一旦确定, 也就从宏观上控制或决定了结构的整体形态以及结构的整体强度、刚度、延性、抗震能力、抗风能力、经济性能乃至社会性能等各方面的性能特征。若结构形式选择不当, 即使进行了精确的构件设计, 也达不到令人满意的设计效果。
很长一段时间内, 我国工业厂房普遍采用装配式钢筋混凝土结构, 这符合当时我国钢材不足, 劳动力充足的特点。实践证明这种结构具有许多优点:节省钢材, 构件统一化、工厂化, 大型构件可以现场预制, 减少高空作业, 改善劳动条件等。然而随着市场经济的发展和我国钢产量的提高, 这种结构显示出造价高、节点复杂、预埋件多、设计和施工周期长等缺点。所以, 装配式混凝土结构厂房的应用逐渐减少。与混凝土相比, 钢结构自重轻、工厂化程度高、环保、抗震性能好。随着钢结构的发展, 全钢结构厂房日益增多, 发达国家大型工业厂房的主厂房基本上都采用钢结构的结构形式, 近年来我国工业厂房中钢结构成为主体。
2 结构体系的布置原则
遵循工艺要求进行结构布置是所有工业厂房结构设计需要遵守的基本原则。由国内外关于工业厂房结构体系布置方面的文献可知, 钢结构厂房结构体系布置一般满足下列原则:
(1) 工业厂房应由较短的、互不影响的和本身坚固的部件组成; (2) 承受很大使用荷载的构件, 不应分属几个静力体系, 即不承担多个功能, 以达到传力明确, 便于设计; (3) 对温度应力、支座沉降比较敏感的结构, 应尽量采用静定结构, 尽可能少采用或不采用超静定结构, 以降低温度应力、支座沉降对结构的不利作用; (4) 吊车梁和支撑系统的设置应尽可能具有较大的水平刚度, 以应对可能出现的特殊荷载。
3 工业厂房结构体系剖析
工业厂房通常为单层, 结构体系是由纵、横向构架和屋面联合组成的空间结构体系, 为便于分析, 将其分解为水平受力体系和竖向受力分体系。
3.1 水平受力体系
(1) 水平屋盖受力体系。
早期做法通常是采用钢屋架上铺钢筋混凝土大型屋面板的做法。为增强屋盖系统的整体刚度, 需要在厂房的周边增设封闭的上下弦水平支撑和纵向垂直支撑, 增加了用钢量。
据有关资料统计, 跨度为27m, 柱距分别为6m, 9m及12m三种平面桁架屋盖, 其支撑系统所耗钢材分别为总用钢量的18.3%, 36%及46%, 支撑用钢量偏高。
工业建筑屋盖体系还可以采用空间网架方案。网架结构是高次超静定的空间结构, 整体性好, 刚度大, 网架各方向的杆件互为支撑, 力的传递简洁合理, 材料可得到充分利用。
背景工程为单层多跨厂房, 二层的吊车轨顶标高为16m, 若采用传统的屋架方案, 屋架高度通常较钢梁高, 为获得同样的厂房净高, 必然要增加厂房的高度, 多跨厂房宽度较大, 受风面大, 增加了高度就增大了风荷载的影响, 厂房内的吊车对水平位移敏感, 应尽量减少水平荷载的不利作用。背景工程为单层不上人压型钢板屋面, 屋面恒载和活载较小, 采用实腹钢梁上铺压型钢板的方案时, 钢梁的高度不会很大, 不但空间效果好, 而且免去繁琐的屋架构件吊装, 节省劳动力, 缩短工期。
3.2 竖向受力体系
单层钢结构厂房竖向受力体系通常由横向框架和纵向框架组成, 其受力体系因节点构造及支撑布置方式的不同而不同。横向框架根据梁柱节点连接方式、柱脚的构造特点及支撑的布置, 结构体系分为四类, 见表1。
I类体系没有柱间支撑, 厂房内有效空间较大, 可以随意布置厂房内设备, 由于没有柱间支撑抵抗水平荷载, 使得梁柱截面尺寸较大, 刚接节点对施工技术要求较高。此种结构体系适宜有特殊工艺要求, 不能布置支撑的小型钢结构厂房。II和III类结构体系需加设必要的支撑杆件以确保结构稳定并抵抗侧向力, 支撑杆件占用一定的空间, 有时影响工艺布置, 但铰接连接构造简单, 有利于加工制作, 安装及结构分析简化, 轻型钢结构厂房或小吨位吊车的工业厂房通常采用此种方式。Ⅳ类结构体系通过节点刚接和支撑共同保证结构稳定并抵抗侧向力, 侧向刚度较大, 一般适用于钢结构工业厂房。
纵向框架结构根据梁柱节点连接方式、柱脚的构造特点及支撑的布置, 结构体系一般分为三类, 见表2。
从三维角度考虑, 厂房受力体系可按以上两表分类情况组合。工程上大致分为以下两类常用结构体系。
(1) 框 (排) 架——支撑体系。即横向设计成刚 (铰) 接构架, 纵向设计成柱支撑体系, 用柱间支撑抵抗纵向水平荷载。这种体系的柱间支撑可能会影响使用。这种形式特别适用于纵向较长, 横向较短的厂房。 (2) 纯框架体系。即厂房纵横两个方向都设计成刚接框架, 不设置柱间支撑。水平力由刚性构架承担, 其优点是两柱间无支撑, 便于工艺布置, 使用空间不受支撑影响, 但节点相对复杂, 柱子截面较大, 抗侧移刚度较小, 当厂房高度和跨度较大时, 用钢量较大, 不适宜承受水平荷载较大或长期处于振动状态的厂房。
4 多跨重型厂房结构体系选型分析
为探求背景工程厂房合理的结构形式, 本节以厂房横向计算单元为例, 采用平面结构模型对梁柱节点形式进行分析。
4.1 计算条件
横向计算单元跨度为21m×2+30m×2+21m×2=144m;柱距9m, 边跨檐口高度标高16.2m;中跨檐口标高22.lm;屋面坡度1/2 0;基本风压0.4k N/m2;雪荷载标准值0.35k N/m 2。
屋面恒荷载标准值0.2k N/m2;屋面活荷载标准值0.30k N/m2;其他设计条件依据勘测报告提供的实际场地条件和钢结构设计规范确定。
4.2 计算方法
现在的钢结构设计软件众多, 本文以P K P M钢结构C A D系统S T S为例做简要介绍, 根据吊车规格设计出用钢量较小的吊车梁截面形式、尺寸。
运行PK菜单:网格输入——建立平面模型——初定义梁柱截面形式和尺寸——布置梁柱——设置计算长度——定义铰接构件——布置永久和可变荷载——布置风荷载) ——布置吊车荷载——设计。
参数输入——设置支座——计算简图校核——结构计算——输出结果。根据计算结果调整截面尺寸, 重新计算, 直到满足最小用钢量条件为止。
摘要：本文简要介绍了工业厂房的特点以及设计发展历程, 探讨了工业厂房的结构体系, 以某多跨重型厂房为例, 介绍了工业厂房结构体系选型过程。
关键词：工业厂房,结构体系,钢结构
参考文献
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