湖南省轻工纺织设计院 湖南省长沙市 410116
摘要：随着我国经济增长速度逐步提升，在一定程度上带动了我国冶金行业的发展，进而造成重型钢结构厂房的兴建规模与数量呈现上升态势。与此同时，为合理设计重型钢结构厂房结构，对其结构进行优化与分析就显得尤为重要。鉴于此，本文以实际工程项目为例，对重型钢结构厂房结构设计的各个方面进行分析，以供专业人士借鉴与参考。
关键词：重型钢结构厂房；结构设计；结构分析
引言：钢结构厂房的广泛应用得益于我国钢结构产业的大力发展，并且重型钢结构厂房应用最为广泛的领域便是冶金行业。与此同时，钢结构与传统钢筋混凝土结构相比，前者具有建造速度快、劳动强度小、自重轻和良好的抗震性等优点。此外，随着计算机技术的快速发展，钢结构厂房的设计软件也随之更为先进与人性化。由此可见，重型钢结构厂房将会在未来具有良好的发展前景。
一、工程概况
某重型钢结构厂房总宽41m,总长102m,建筑面积4218m²｡该厂房为高低两连跨,跨度分别为21m和18m,最大高度19.5m,高跨安装1台100t和1台32t双梁桥式起重机,低跨安装1台32t双梁桥式起重机｡该钢结构采用格构柱+变截面H型钢梁,墙面和屋面次结构为冷弯薄壁C型钢;围护结构采用复合保温板,即金属波纹外板+玻璃丝保温棉+金属波纹内板｡建筑剖面如图1所示｡该厂房主结构(柱､梁)用钢量约295t,吊车梁制动结构用钢量约99.8t,次结构用钢量约101.6t,基础锚栓用钢量约9.5t,结构总用钢量为505.9t,平均用钢量(含锚栓)为119.9kg/m²｡
图1 建筑剖面图
二、结构设计与分析
1、结构设计
该厂房高跨部分采用双肢格构柱,低跨部分采用H型阶梯柱,梁采用变截面H型钢梁与柱刚接。重型钢结构厂房的常规做法是采用框排架结构,即屋架采用梯形或三角形钢屋架,钢屋架与钢柱铰接,而本工程则采用轻型门式刚架中的锲形梁单元,这种结构制作简单,安装方便,经济适用｡重型钢结构厂房的设计关键在于结构的稳定性控制,在本工程中,柱间支撑和屋面水平支撑均采用刚性支撑来加强整个结构的稳定性;在主刚架计算中严格控制吊车梁节点处和檐口处的水平位移,使其均在1/1250以内｡首先,钢柱和钢梁全部套用GB50017—2003进行计算,调整柱梁至满足要求;然后,钢柱套用GB50017—2003､钢梁套用CECS102∶2002进行计算,调整柱梁至满足要求｡
2、结构分析
2.1 结构布置
厂房在大吨位吊车工作情况下容易产生较大振幅的振动，鉴于此，在设计重型钢结构厂房过程中应注意厂房整体的稳定性。因此，为了与横向支撑组成封闭体系，可以使用角钢作为屋面的支撑，并且纵向屋盖支撑应进行通长设置，进而提升厂房的整体刚度。此外，可以将刚性柔杆设置在厂房的屋脊、屋檐以及转折处，图2便是屋面系杆与支撑的布置平面图。根据工艺要求,柱距采用6.8m,分别在端跨､⑤和⑥轴､瑏瑡和瑏瑢轴之间设置柱间支撑,使水平力能有效地传至基础,在端跨只设上柱支撑,以利于释放吊车梁的温度应力｡⑤和⑥轴以及瑏瑡和瑏瑢柱间支撑､系杆布置立面见图3､图4､图5｡
2.2 设计依据
依据国家有关建筑结构设计规范,该厂房抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅱ类｡主要设计荷载为:屋面活荷载:0.35kN/m²;屋面恒荷载:0.30kN/m² (屋面采用轻型彩钢板);风荷载为0.50kN/m² (按50年一遇设计);荷载组合按规范确定｡
图6吊车平衡荷载和地震位移主结构钢柱､钢梁采用Q235-B钢;吊车梁采用Q345-B钢｡
2.3 计算结果
本工程按GB50017-2003规范设计,采用中国建筑科学研究院的PKPM结构计算系列软件中的STPJ钢结构重型工业厂房设计软件进行建模､内力计算和分析,并用上海同济大学的3D3S钢结构设计软件校核,柱梁应力比控制在0.8~0.9｡主要节点吊车水平荷载位移和地震位移见图6｡图中上面数据为吊车水平荷载位移,下面数据为地震位移,其结构变形满足相关规范限值要求｡
4、屋面和墙面设计
屋面和墙面檩条选用Q235A钢,规格为C180×70×20×3,按其仅承受恒､活､风载进行计算｡檩条按1.5m间距布置,并在相邻檩条间布置双列拉条或撑杆,从而大大加强了相邻刚架间的屋面或墙面的整体刚度和强度｡屋面和墙面均选用复合板构成的轻质材料,即外板+保温棉+内板,内外板均为镀锌压型钢板,质量仅24kg/m²｡这种复合板轻质材料具备结构､装饰和防水三重功能,且围护简单,其维护费用远远低于传统围护材料｡
5、厚钢板的应用
由于厂房荷载大、跨度大以及柱距大，所以为避免层状撕裂现象在厚钢板在钢结构受力与焊接过程中出现，提升整个钢结构工程建造质量，缩短施工进度，提出了延厚度方向性能钢板的要求。此外，防止层状断裂的技术可以应用在T型接头、角钢结构与十字接头的施工过程中。
5.1 层状撕裂的防止措施
5.1.1改进焊接节点的连接形式
为了缓解局部施工位置处由于焊接收缩而出现的应力集中现象，可以通过改进焊接节点的连接形式来实现，并且可以有效阻止钢板在板厚垂直方向所受到的拉力，进而改进与优化易出现侧撞撕裂的节点构造。此外，改变桁架节点的设计可以降低或缓解厚度方面中的应变。
5.1.2 采用合理的焊缝形式及小焊脚焊缝
基材会因为焊缝形式的不同而产生不同的形变。坡口焊缝的表面积与坡口成正比关系，并且表面积越大的焊缝其收缩应力也会增加。此外，基槽的形变也与焊缝尺寸有直接关系，因此可以使用小焊角焊缝，避免增大焊缝尺寸，从而尽量降低焊缝的体积。
5.1.3 合理布置加劲肋
由于焊接会因为加劲肋的存在而产生促使层状撕裂出现的约束，所以应合理布置与设计加劲肋以及其焊接形式。
5.2 层状撕裂的检测与补救
由于X射线探伤难以达到有效的探伤效果，所以采用超声波探伤是查验是否存在层状撕裂的主要措施。因此在设计过程中应对关键结构件有选择性的划分出来，同时使用超声波对这些关键节点进行探伤，从而防止层状撕裂节点的出现，提升整个钢结构工程的施工质量。
三、结语
随着我国钢结构技术的发展,重型钢结构厂房具有良好的应用价值和发展前景｡在工程设计和施工中应注意如下问题:（1）在工程设计中应综合考虑结构受力和钢结构制作､安装的便利,在用钢量相当的情况下宜首选结构简单,容易制作的截面形式;（2）设计重型钢结构厂房,其稳定性非常重要,应注重整体结构的稳定性控制和位移控制;（3）设计钢结构应严格套用相关规范,不得随意降低设计指标;（4）设计重型钢结构厂房宜选择大柱距（9m或12m）,这样可降低用钢量｡
参考文献
[1] 童根树,编著.钢结构的平面外稳定[M].中国建筑工业出版社,2012.
[2] 邢占清.重级钢构吊车梁的疲劳设计与加固策略研究[D].北京建筑大学2014.
论文作者:谢湘桥
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/8
标签：结构论文; 屋面论文; 荷载论文; 层状论文; 吊车论文; 钢结构论文; 钢结构厂房论文; 《基层建设》2017年第12期论文;