摘要：本文主要从设计优化的角度，分析了金属压力加工类厂房的特点以及工艺要求，从结构的整体和各系统入手，总结了钢结构厂房轻型化的措施与建议，工类似厂房设计优化参考。
关键词：轻型化；性能化；厂房；钢结构
一、前言
在工业建筑领域，钢结构建筑因其实用性、经济性和时效性被越来越多的业主所接受，在冶金、机械、飞机、重型设备制造、造船、汽车、仓储等各个领域中，钢结构厂房已基本取代了传统的混凝土结构厂房。
轻型门式刚架结构房屋于上世纪80年代从美国、日本等国引进，主要用于仓库、超市、批发市场等建筑。随着我国经济的快速增长、钢产量的大幅增加，门式刚架结构得到了飞速的发展，大批钢结构厂家涌现，已普遍应用于工业厂房、仓储物流、展览馆等行业中。
对有色金属、钢铁、机械等金属压力加工行业的工业厂房建筑而言，又有其自身的特点。此类工业建筑常因生产需要，厂房内设有起重量20~50吨的中级或重级工作制的桥式起重机。目前各行业的利润普遍较低，业主方对降低厂房投资的的要求越来越高，合理的降低厂房耗钢量将会产生明显的效益，也是结构设计关注的焦点。
二、厂房建筑特点
金属压力加工厂房的设计与普通的轻钢厂房有许多共同点，也有很大的区别，主要在以下2个方面：
1.厂房内设有起重量20~50吨的中级或重级工作制的桥式起重机，其轨面标高一般为9~15m，不满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）的适用范围。
2.厂房跨度和柱距与生产工艺密切相关，对厂房造价影响较大。确定柱网应从生产工艺、结构、经济的三方面综合考虑确定。
（1）满足生产工艺要求。厂房柱的位置与生产流程及设备和布置相协调，还需要考虑柱基础与地下构筑物的协调，避免相互干扰。
（2）满足结构要求。为保证车间正常使用，结构应具有必要的横向刚度。为便于制作、安装，柱距应尽量统一。对超长或超宽的厂房，还应考虑温度作用的影响，划分温度确段或采取释放温度应力的措施。
（3）满足经济要求。从工艺布置方面考虑，柱距越大越方便工艺的布置，也有利于以后的设备更新需要，但增加柱距会使屋盖、吊车梁的材料量大幅增加。
三、降低厂房耗钢量的措施
1.选材：厂房结构用钢材的材质应综合考虑结构重要性、荷载特征、环境条件、钢板厚度等因素。由于Q345钢材与Q235钢材市场价格接近，同等规格其价格相差在100元~200元之间，刚架、吊车梁、檩条等构件采用Q345钢材具有较好的经济性，应优先选用。
2.结构方案：对吊车起重量在20t~50t的单层工业厂房，此类结构已超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）的适用范围。国内已建成的此类工程多采用与门式刚架类似的结构方案，按《钢结构设计标准》进行设计。一般情况下，当吊车起重量不大于32t、且轨面标高不大于10m时可采用实腹柱方案，上柱、下柱根据计算可采用不同的截面；当吊车起重量大于32t或轨面标高不大于10m时，下柱可采用格构柱、上柱采用实腹柱方案。刚架的屋面梁采用变截面焊接实腹式工字型截面，变截面梁的应采用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》验算，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定验算。
3.性能化设计：厂房框架的板件宽厚比，是保证厂房框架延性的关键指标之一，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。金属压力加工类厂房屋面通常采用压型金属板维护，框架承受的地震作用小，即使采用设防烈度的地震动参数计算，也经常出现有非地震组合控制厂房构件截面的情况，特别是在风荷载较大的8度（0.20g）及以下地区。根据实际工程计算分析，分别按“高延性、低弹性承载力”或“低延性、高弹性承载力”两种抗震设计思路规定板件的宽厚比。在厂房框架“弹性承载力”和“延性”种选择合理经济的做法。
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4.优化柱距，避免结构抽柱：工业厂房内布置有多种工艺设备，采用传统的柱距形式，会形成多处抽柱情况，一方面会削弱厂房整体刚度，使结构变为竖向不规则，对抗震不利，也增加了结构设计的复杂性，另一方面需要再布置托架、屋面纵向支撑等结构构件，增加了厂房的投资。由于钢结构厂房维护体系一般是由檩条和彩色压型钢板组成，没有严格的尺寸规定，不受模数的限制，优化厂房柱距，在标准柱距的基础上局部采用非标准柱距或全部采用非标准柱距，根据需要灵活处理，可大量避免抽柱的情况发生，使结构传力明确，减少构件数量，可显著降低耗钢量。
5.钢管混凝土格构柱：当吊车起重量大于32t时，厂房下柱采用型钢格构柱耗钢量低于实腹式H型截面柱，特别是当吊车轨面标高较高时。钢管混凝土具有强度高、重量轻、延性好等优越的性能，充分发挥了混凝土的抗压性能和钢材的抗弯能力强的特点，两者结合在一起，共同发挥作用，大大提高了构件的承载力。以某板带厂房为例，厂房下柱采用钢管混凝土格构柱的用钢量仅为型钢格构柱的67.1%，厂房每平米用钢量可降低约5kg，经济效益显著。
6.屋面檩条：当厂房柱距小于12m时，屋面檩条一般采用Z型冷弯薄壁型钢连续檩条具有较好的经济性；当跨度12m及以上时，冷弯型钢檩条很难计算通过，此种情况推荐采用成品桁架式薄壁檩条、高频焊接H型钢或波纹腹板H型钢檩条。相同跨度的檩条，采用成品桁架式檩条相比高频焊接H型钢檩条，可降低钢材量约40%左右。
7.结构起拱：对跨度较大的刚架屋面梁和吊车梁，构件截面常由挠度控制，此种情况构件制作时预先起拱。对屋面梁，起拱值可取恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值。屋面梁的挠度扣除起拱值后再按L/400控制。对吊车梁（跨度不小于24m）构件，可按吊车梁跨度的1/1000起拱。
8.墙柱落地情况：厂房纵墙柱和山墙柱均以受弯为主。纵墙墙柱为一两跨连续梁，截面受挠度控制，与墙柱墙面竖向荷载支点位置基本无关。当场地条件较好时，宜优先采用墙柱落地的方案，不将荷载传递至吊车辅助桁架。对山墙柱常见有三种方案，一是在吊车梁高度处设置空间桁架结构，山墙柱通过牛腿悬挂在桁架上，上、下端分别与屋面梁和基础铰接，仅传递水平荷载，此种方案空间桁架用钢量大，仅适用于地质条件较差的情况。方案二为竖向荷载传递至基础，在吊车梁处设置有抗风桁架（有时兼做安全走道），柱顶与屋面梁铰接。方案三与方案二不同的是取消抗风桁架，水平荷载传递至基础和屋面梁。金属加工类厂房普遍轨面标高不好，在基础较好的地方采用方案三更经济合理。
9.选用轻量化起重机：近年来，随着高强钢材的应用、起重机设计方法的优化以及生产技术的提高，一些厂家开始生产优化了吊车重量的轻型起重机。此类起重机在具有与传统吊车功能相同的条件下，其自身重量和轮压显著降低，所需要的高度也降低不少，意味着厂房的高度可以相应降低。根据文献[5]，采用轻型吊车，吊车梁的重量减轻的幅度在10%~30%，分类而言，6m、12m及18m吊车梁的平均降幅分别为25%、15%和30%，刚架系统的降幅约为18%。轻型起重机售价相对较高，当设备增加的费用小于厂房投资优化的费用时，通过选用轻型起重机的方案也是可行的。
四、需要注意的问题
1.金属加工类厂房吊车工作制基本均为中级或重级工作制，轨面标高较高，吊车运行频繁。柱间支撑及屋面支撑应采用型钢支撑，必要时可设置屋面纵向支撑，增强厂房整体刚度。
2.厂房柱脚与基础均采用刚接连接，柱底弯矩大，建议采用杯口式柱脚，制作与施工均方便。
3轻型门式刚架的梁柱连接、梁梁连接一般采用端板式连接节点，此类节点属于半刚性连接，对重型钢结构普通厂房此类节点很难满足“强节点”的设计要求。建议重型厂房的梁柱连接、梁梁拼接建议采用焊接型刚接连接节点。
五、结束语
结构优化是个系统工程，要求结构设计师们要从工程的设计和价值角度去思考设计方案，追求的是最合理的利用结构材料的性能，是对结构设计进行深化、调整、改善和提高，同时不能以牺牲结构安全度与抗震性能为代价。设计工作中多思考、多协调，运用科学的方法和手段，使优化意识贯穿整个设计过程，充分体现结构优化的价值。降低工程造价的同时，使建筑功能最大限度的满足使用者需求。
参考文献
[1]《钢结构设计标准》GB 50017-2017，中国建筑工业出版社
[2]《钢结构设计于计算》（第二版），包头钢铁设计研究总院等 编著，机械工业出版社
[3]《钢结构设计手册》（第四版）但泽义 主编，中国建筑工业出版社
[4] 考虑吊车性能优化的钢结构优化设计，柴昶等，建筑钢结构进展，第6卷第4期
论文作者:王涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年6期
论文发表时间:2019/7/10
标签：厂房论文; 吊车论文; 檩条论文; 屋面论文; 结构论文; 钢结构论文; 桁架论文; 《建筑学研究前沿》2019年6期论文;