大跨度超高重型钢结构厂房结构设计浅析

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　　摘要：随着技术的进步，出现了越来越多的重型机械来帮助人们完成各种生产建设，极大的降低了人工劳动力。那么要承载起重型机械的生产就需要建设大量工业厂房，其中涉及到不少大跨度超高重型钢结构厂房。目前，建设这种厂房的很多技术难题都得到了攻克，本文就针对大跨度超高重型钢结构厂房的结构设计普遍使用的技术方案来展开讨论。
　　关键字：大跨度，超高重，钢结构，厂房
　　Abstract: with the development of technology, there are more and more heavy machinery to help people finish all kinds of production and construction, greatly reduced the artificial labor. So to load up heavy machinery production needs a large construction industry workshop, which involves a lot of large span heavy steel structure workshop high. At present, the construction of the factory building many technical problems have been conquer, this paper for big span structure factory building high the heavy steel structure design of the widespread use of technical solution to this discussion.
　　Key word: big span, ultra heavy, steel structure, plant
　　
　　
　　中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
　　引言：
　　随着改革开放的到来，我国的重工业得到了极大的发展，很大程度的推进了大跨度超高重的钢结构厂房的发展，这种厂房的修建不仅方便了生产者有效地工作，更促进了我国建筑业的发展。在克服困难的发展过程中会有很多经验和教训，很多专家也都将自己的心得体会写成文章供大家分享，下面就以本人做的一个单层单跨52.4m，高度60m，柱距24m，长度200的钢结构框架工程实例来做探讨。
　　1.设计条件
　　 1）地震烈度7度（0.05g），基本风压0.8kN/m²，厂房位于港口，粗糙度属于A类；
　　 2）厂房高51.05m处运行4台500t吊车，高24.225m处运行2台160t吊车，吊车均为A6类工作制，屋面墙面为轻型彩钢板围护。
　　2.结构选型
　　 由于该厂房是属于大跨度，且超高超重的钢结构，要保证其结构稳定性和吊车运行的安全性，就要首先确保框架柱的刚度。其中的设计人员提出的方案为: 采用单阶三肢柱，柱肢截面为HW498×432，柱缀条采用φ219×16，屋架为三肢桁架，上下弦截面为HW400×400，腹杆为φ219×10。在进行结构分析计算时，选用3D3S计算软件，选取单榀框架进行平面分析，不考虑其空间作用，通过对此方案进行分析计算，其中位移和应力结果为：
　　 1)在风荷载作用下，柱顶位移角为1/290；
　　 2）大吊车水平荷载所产生的轨顶位移角为1/900；
　　 3）柱底部的应力比为0.98。
　　 有国内的研究人员对此进行了分析对比，总结得出以上的方案存在着下述两个问题:
　　 （1）按中国GB50017―2003《钢结构设计规范》中的A.2.1条内容规定，在风荷载作用下，有桥式吊车的单层框架的柱顶位移角不宜超过1/400，上述方案超出规范限制较多。
　　 （2）同时可以参照GB50017―2003中A.2.2条的有关规定：一台最大吊车水平荷载所产生的轨顶位移角为1/1250，上述方案也超出较多，显然该方案框架刚度偏小，且应力比偏高。
　　 因此，该公司就针对这两个问题，对结构设计方案作出了以下的调整：
　　 方案1：原3肢柱改为4肢柱，柱肢及缀条截面均不变。
　　 方案2：采用三阶3肢变阶柱，下阶肢距改为5m，第二阶肢距4 m，第三阶肢距3．5 m，柱肢及缀条截面均不变。
　　 方案3：采用二阶变阶柱，下阶采用4肢柱，肢距5 m，第二阶采用3肢柱，肢距3．5 m。
　　 根据上述方案经过多方的更正和对比，得出方案1框架刚度提高不多，用刚量却大；方案2框架刚度有较大的提高，用钢量却最小，但变阶次数多施工比较不方便；方案3框架刚度提高最大，用刚量也增加不多。由于格构柱的刚度与柱肢距的平方成正比，因此方案2和方案3下肢肢距加大到5.0m，对钢柱刚度提高效率最快。方案2和方案3调整后柱肢距约为最高轨道顶高度的1/10，符合经验比值1/9~1/12，同时也比较经济。另一方面，原方案支撑吊车梁均采用悬挑牛腿使得用钢量相当大。调整后采用阶型柱，使吊车梁中心尽量与吊车肢重合，避免偏心荷载的不利影响，同时减少用钢量。经过对比分析，并得到外方的确认，选择方案3作为实施方案。
　　 结构的选型对整个工程的质量是具有很重要的意义，对同一个工程来说，在设计初期提出很多不同的方案供参考和对比，以便选出最好的保证修出高品质的工程，尤其是这种大跨度的超高重厂房，在结构选型是尤为重要。
　　3.设计步骤
　　 在结构的选型完成后，开始针对整个结构的特性设计。以下就是基本的设计步骤。
　　3.1荷载选取
　　 根据以上地方的特征选取的荷载如下:
　　 恒载：0.25kN/m²；活载：屋面0.5kN/m²；风载：基本风压ω0=0.8kN/m²。
　　 地震作用：考虑多遇到地震，设防烈度为7度，水平地震影响系数最大值取0.12；计算振型数为9；建筑结构阻尼比为0.03；特征周期为0.45s；场地类别为Ⅲ类；地震分组为第一组。
　　 风压高度变化系数及风荷载体型系数均按GB50009―2001《建筑结构荷载规范》（2006年版）取用，因近海，地面粗糙度为A类。
　　 计算时应考虑吊车轮压的最不利位置，钢材全部采用Q345-B，螺栓采用扭剪型高强度螺栓（10.9级）。
　　3.2荷载组合
　　 根据我国的结构设计规范得到，结构设计的荷载组合为下列的几种：1）1.20恒载+1.40活载；（1、2条荷载组合是一样的）2）1.20恒载+1.40活载；3）1.20（1.0恒载+0.5活载）+1.30地震荷载；4）1.20恒载+1.40活载+1.40×0.6风载；5）1.20恒载+1.40吊车荷载+1.40×0.7活载+1.40×0.6风载；
　　3.3计算方法
　　 现在有很多帮助工程师们进行计算的软件工具，这些软件具有很高的计算效率，大大地减轻了工程师在结构设计中的计算问题，同时也减少了很多因计算出得错误，提高了结构设计的效率。考虑到本工程的重要性和复杂性，使用3D3S（同济大学编制）和MIDAS两种分析软件，采用平面结构有限元分析方法，对单榀框架进行分析。框架结构变形的分析包括恒载和活载作用下屋盖的竖向位移，风荷载作用下的柱顶水平位移，一台最大吊车水平荷载作用下吊车梁顶面的水平位移。柱顶位移及周期，计算结果符合规范GB50017―2003的要求，计算表明：吊车荷载和风荷载起控制作用，地震作用不起控制作用。
　　3.4截面设计
　　 软件不仅可以帮助计算，随着技术的进步，现在的软件可以帮助工程师进行截面的选取，工程师再根据自己的经验来判定结果的优劣。输入地震、风载及恒活载等参数及控制因素，初选截面由程序进行截面验算，按GB50011―2010《建筑抗震设计规范》的规定控制梁、柱等构件翼缘的宽厚比和腹板的高厚比。根据验算结果对杆件截面进行调整优化，使得截面变化与内力大小尽可能趋于一致。
　　3.5大跨度超高重钢结构设计的发展现状
　　 根据以上一个较为典型的例子得到，这种大跨度的钢结构厂房设计有了很成熟的发展，现在在很多工程的设计中都秉承着这种步骤，我国地域辽阔，在建筑物的修建上具有很强的地域性，如抗震，地质和气候都会影响着工程，我们不能够把所有的工程都按照同一个模式照抄照搬，要因地制宜。
　　 另外，钢结构体系厂房相对于传统的结构体系相比具有基础造价低，建筑空间利用率高，便于加工，灾后容易修复，施工建造周期和资金占用时间短，环境破坏及污染少，材料的回收和再生利用率高等一系列优势，因此在现代工厂设计中得到越来越多的采用，然而，由于轻钢结构建筑耐火等级较低，大空间，大跨度厂房对防火要求又提出了新的要求，这些有的可以采用技术措施解决，有的还没有完美的解决方案。在这一方面还需要更加的努力解决。
　　结束语：
　　 本文是通过以某工厂的设计实例为主导，来阐述了大跨度超高重钢结构厂房的设计步骤和一些存在问题的解决方案，最后，根据现在这种厂房的发展现状来说明大跨度房屋的发展方向。
　　参考文献：
　　[1]钢结构设计手册编委会．钢结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004．
　　[2]吕明霞．既有单层工业厂房中太阳墙的应用研究[D]．济南：山东建筑大学，2008．

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