（杭萧钢构股份有限公司，杭州，310003）
【摘 要】通过对某联合厂房工程设计，详细介绍了多跨抽柱门式刚架厂房结构分析过程、支撑体系选取原则、荷载设计以及相关节点连接构造措施等，可供工程设计人员参考。
【关键词】门式刚架；抽柱结构；结构计算；节点连接
一、工程概况
该项目位于大连市，为年产20万辆乘用车项目冲焊联合厂房，包括冲压车间、冲压件库、焊装车间。其中冲压车间建筑面积约21276m2，冲压件库建筑面积约17568m2，焊装车间建筑面积约75486m2。冲压件库与焊装车间总长度373m，宽度254m（18m*6＝108m，18m*6+27m+10m=145m）。纵向边柱柱距6m，中柱柱列由于工艺需要抽柱，中柱柱距18m。图1为冲焊联合厂房E区平面布置图。
图1 冲焊联合厂房E区平面布置图
二、结构方案选择
本次设计的重点在于冲压件库与焊装车间联合厂房设计部分(BCDE区块)，考虑到厂房的纵向长度及横向宽度均已超过规范对温度区段长度的要求，在设计时考虑采用中间设置双柱温度伸缩缝处理，整个厂房分为4个区块(BCDE区块)。
（1）刚架结构体系：根据厂房内工艺布置要求，纵向边柱柱距6m，，屋面梁间距6m。中柱柱列由于工艺需要抽去2根钢柱，中柱柱距变成为18m。设计时考虑采用18m托梁，托梁中间承担2榀屋梁。由于工艺要求中柱列不允许设置柱间支撑，整个厂房横向为多跨门式刚架，纵向结构结合托梁设计为纵向刚架，与屋面支撑系统一同组成纵向受力体系。
（2）支撑系统：
在屋面支撑布置设计时，考虑到本厂房存在大量抽柱对屋面刚度消弱，在抽柱刚架处设置多道纵向水平支撑，以保证抽柱刚架与非抽柱刚架协同工作。本工程地点风荷载较大，屋面采用轻钢屋面，整个屋面在两个方向都布置支撑系统，增强屋面刚度。纵向和横向的支撑组成封闭的支撑体系，大大加强了结构在水平面内的抗扭转刚度，使得该大尺度建筑在不均匀风荷载作用下有很好的抗扭转变形能力。
厂房外围A轴、Y轴边柱列设置围护墙面，边柱柱距6m，此边柱结合建筑门窗洞口位置设置柱间支撑系统。
三、结构设计计算
本工程中采用PKPM系列软件STS计算程序。
（1）设计计算基本条件
设计使用年限：50年；抗震设防类别：丙类；建筑场地类别：冲焊联合(B-E区)为Ⅲ类；抗震设防烈度：7度(0.15g)；设计地震分组：第一组。
（2）荷载计算
屋面均布恒荷载为0.30kN/m2(含屋面板、檩条、支撑) ；屋面活荷载为0.50kN/m2(受荷面积大于60/m2的刚架构件，取0.30kN/m2)；基本雪压为0.40kN/m2；基本风压为0.65KN/m2；地面粗糙度为A类；
屋面工艺吊点荷载按照业主工艺部门提出的工艺荷载布置图进行计算。
（3）横向刚架计算模型
考虑到厂房的空间整体作用，对于抽柱排架，根据冶金工业部《钢筋混凝土柱设计规程》YS09-78第39-41条以及附录5的设计方法，取一个由数榀横向平面排架组成的等效单元计算，假定在等效单元内各榀排架柱柱顶位移相等，将计算单元内的数榀排架展开一榀平面排架计算。
本工程中横向刚架为门式刚架，结合本工程的受力特点，为了使抽柱处刚架计算准确，并能很好地反映实际受力情况，本次设计时采用链杆电算法计算。以中间标准18m柱网作为标准计算单元取例示意：
图2 E区标准计算单元
一个计算单元内包括一榀非抽柱榀横向多跨门式刚架、两榀抽柱多跨屋面梁。
对于抽柱多跨屋面梁榀，屋面梁平接于纵向托梁上，托梁作为多跨屋面梁的支承点，因在程序中无法直接输入托梁受力模型，在STS程序根据托梁的刚度转换为弹簧支座输入。
在一个计算单元内，为考虑三榀刚架协同工作计算，在两个计算模型之间增加虚拟刚度无穷大的系杆，使其共同工作，各榀刚架承担各自屋面荷载、风荷载等，一次性解决了两种不同刚架的内力计算和变形计算，不用考虑迭代计算。
（4）托梁的刚度模拟
对于仅抽一根柱子的托架梁，托架梁的刚度即是单位力作用下的挠度的倒数，即
本工程中一根托架梁中间抽两柱，托架梁的挠度 1不能只考虑该节点处一榀屋
面梁的作用荷载，应考虑P1和P2同时作用下产生的挠度计算，见图示3。
根据结构力学的位移法，可得到：
（6）变形控制
由于本工程屋面坡长较长，同时厂房内抽柱较多，托梁的挠度控制是设计计算的控制关键。托梁刚度会影响其支承的屋面斜梁的约束条件，而且托梁的挠度太大而使屋面形成波浪形，对屋面檩条、屋面板的受力都不利，对屋面排水也不利。
在本工程中，根据业主提供的工艺要求，在屋面下还需悬挂设置二次工作作业平台，对屋面梁、托梁的挠度控制更加关键，需考虑托梁、屋面梁两者挠度叠加对工艺悬挂吊的影响。
屋面梁的挠度控制在L/400以上，托梁的挠度控制在L/700以上，同时制作时考虑预起拱。
四、节点连接设计
构件的内力通过节点传递，节点设计要符合计算假定。节点设计的是否合理，不仅直接影响整个结构的承载力能力、可靠性、安全性，而且还会影响结构的加工制作以及施工质量。
（1）梁柱连接节点：根据本工程的结构受力特点，横向刚架为门式刚架，主刚架柱采用焊接H型柱，屋面钢梁采用焊接H型实腹式变截面梁。横向刚架梁柱连接采用常规的端板式高强螺栓连接节点；纵向刚架利用托梁形成刚架，考虑托梁的制作方便，采用栓焊连接节点，保证与框架柱刚接。
（2）屋梁与托梁连接节点设计：屋梁与托梁连接一般有平接和叠接两种方案。
平接节点方案：在梁梁相交处要保证纵向刚架梁高大于等于横向刚架梁高，纵向刚架的截面高度受到限制，横向刚架在相交处需要分段拼接。这种做法对厂房净高有利，厂房内比较美观。
叠接节点方案：在梁梁相交处横向刚架叠在纵向刚架上，横向刚架不必要被分段拼接，可直接通过。但是对净高影响较大，厂房内美观受到影响。同时在相交处为纵向刚架下翼缘设斜撑，为风吸力作用下下翼缘受压的平面外稳定提供支撑。
由于本厂房中工艺要求，采用叠接后无法满足工艺净高要求，故设计采用平接节点方案。
柱脚节点：本结构为双向刚架结构体系，同时中柱列无法设置柱间支撑，故钢柱柱脚考虑为双向刚接平板式柱脚。
五、设计中应注意的问题及措施
通过对本工程中的多跨抽柱刚架厂房的设计，将空间受力问题转换为平面刚架分析计算模型，这种简化也存在不足的地方。对于抽柱厂房的设计，最佳的处理方法是采用三维方法建模分析，考虑空间整体共同的作用来进行整体的设计验算，这样得到的结果将是最真实的结果。以上设计计算，均没有考虑空间整体作用对平面刚架受力的有利或不利的影响，托架梁实为刚接，但在柱子弱方向刚接达不到完全固端的效果，故按简支梁模式，此模式将使其对抽柱屋面梁的支承刚度减小，意味着抽柱屋面梁内力将会增大，偏于保守，但对非抽柱刚架的柱顶处，弱轴方向弯矩忽略不计，则有其不利影响。因此得出的计算结果有一定的误差，但此误差仍可在工程设计允许范围内。针对此问题，设计时采取了相应的补充验算和构造措施。
（1）由于设计时横向、纵向平面刚架分别计算分析，对中柱而言，由于托架的原因，其实际受力状态为双向压弯构件受力，但在平面刚架计算时程序中无法计算平面外的稳定验算，在设计时应对钢柱进行补充验算，取两个方向的刚架计算的内力结果进行复核验算。
（2）由于整个联合厂房中间设置双柱分缝，边柱列的中间托梁仅单边支撑屋面梁，对托梁平面外受力不利，在支撑系统布置时增设下层纵向水平支撑，以加强结构的整体性。
（3）对于纵向刚架，由于中柱采用H型钢截面，H型强轴方向在横向平面刚架内，纵向刚架方向仅靠H型钢弱轴抵抗纵向荷载，特别是端头柱，其刚度要求更高。纵向刚架端柱截面采用H型+T型截面的构造措施，以加强端柱的抵抗纵向荷载的能力。
（4）在纵向刚架计算时，由于目前国内规范的规定比较模糊，可参考MBMA2002中相关风荷载的体型系数规定，以便在纵向刚架设计时，计算的结果更加准确
六、结论
门式刚架轻钢结构是我国钢结构房屋中比较成熟的体系之一，由于建筑、工艺等对结构的要求，各种抽柱情况出现在实际工程应用中，本文通过对实际多跨抽柱工程的设计过程介绍，对抽柱厂房设计中的一些设计方法进行探讨，进行设计经验的总结，以供工程设计人员参考，设计人员应该积累工程经验，结合工程实际情况更好更合理地处理抽柱问题。
参考文献：
[1]钢结构设计规范GB50017-2003
[2]建筑抗震设计规范GB50011-2008
[3]建筑结构荷载规范GB5009-2001
[4]建筑结构静力计算手册(第二版) 中国建筑工业出版社
论文作者:陈鹏,石柏林
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年1月供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：屋面论文; 纵向论文; 荷载论文; 节点论文; 挠度论文; 横向论文; 厂房论文; 《工程建设标准化》2016年1月供稿论文;