試述工業廠房的結構設計及常用體系

摘要:隨著國民經濟的迅速發展，工業建筑要不斷滿足現代大工業生產，工藝不斷更新的要求，過去那種單一功能，單一建筑形式已經不適應生產方式改變的需要，聯合車間、靈活車間、工業大廈等多功能廠房應運而生。另外，建設用地的緊張以及工藝流程的需要，越來越多地多層廠房甚至高層廠房出現。多層廠房的特點是跨度大、荷載大、開洞多、有多層吊車，在設計過程中，有些問題值得總結和探討。為此，本文分析多層廠房結構設計的特點及結構計算中應注意的問題，以做到合理、經濟的最佳結構設計。

關鍵詞:多層廠房 設計 結構

0 引言

隨著我國經濟建設不斷發展，對鋼結構重型工業廠房的使用要求越來越高，重型工業廠房在高度、跨度、柱距、平面尺度、吊車噸位等方面有著不斷加大的趨勢。因此，結構的方案設計在整個設計過程中的重要性越來越顯著。

1 多層工業廠房結構設計要點

多層廠房因為工藝布置的要求，一般都需要大空間，結構通常采用框架結構，在層數較多、工藝條件許可的情況下也可以采用框剪結構。結構布置的原則是:盡量使柱網對稱均勻布置，使房屋的剛度中心與質量中心相近，以減小房屋的空間扭轉作用，結構體系要求簡捷、規則、傳力明確。避免出現應力集中和變形突變的凹角和收縮，以及豎向變化過多的外挑和內收，力求沿豎向的剛度不突變或少突變。

1.1 控制橫向框架與縱向框架的周期。由于多層廠房跨度方向、尺寸較大，柱子少;而柱距方向尺寸較小，柱子多。一般都是橫向控制，使縱橫向的抗震能力大致相同，不僅有利于抗震，也使設計更為經濟合理。

1.2 合理布置電梯間的位置。多層廠房由于設備、貨物很重，豎向運輸的需要，均要設置電梯。鋼筋混凝土電梯井筒剛度很大，應充分考慮電梯井筒對建筑物的偏心影響，在結構布置上盡量避免電梯井筒布置在建筑物的角部和端部。當工藝布置需要而不可避免時，應對周圍的樓板及框架采取加強措施。

1.3 地震區的多層廠房宜少或不設防震縫。地震區房屋的伸縮縫是合一的，當房屋較長時，宜采取下列一些構造措施和施工措施以少設伸縮縫及防震縫;施工中，每隔40m設置一道800mm一個1400mm寬的后澆帶，后澆帶的位置設在結構受力影響最小的區段;在溫度影響較大的頂層、底層、山墻和內縱墻端開間的墻體等部位，適當提高配筋率;加厚屋面隔熱保溫層或設置架空層形成通風屋面。

2 常用的結構體系

2.1 框架一支撐體系。即橫向設計成剛接框架，縱向設計成柱一支撐體系，用柱間支撐抵抗水平荷載。這種體系經濟節約，但柱問支撐可能會影響使用。這種形式特別適用于縱向較長，橫向較短的廠房。

2.2 純框架體系。把廠房縱橫兩個方向都設計成剛接框架，不設置柱間支撐。其優點是使用空間不受影響，缺點是柱不宜采用工字型柱，而要采用兩個方向慣性矩差別不大的截面形式(如箱形柱)，使用鋼量增加。

2.3 鋼架加支撐的混合體系。這種形式與第一種形式不同之處在把縱向設計成鋼架和支撐混合的型式，靠兩者共同抵抗水平力。這種形式可以有效地減少柱的縱向彎矩，但要求樓面剛度大，否則柱子間的變形不協調，無法充分發揮柱間支撐的作用。

3 結構設計中應注意的問題

3.1 結構設計與工藝設計的協調。廠房都是為生產服務的，廠房設計中結構專業作為配套專業首先應滿足工藝要求，結構設計也只能服從于工藝條件。而工藝設計人員在工藝布置時，經常與結構設計發生矛盾，要開洞的地方是框架梁，設備本來可以沿梁布置卻布置在了跨中等。所提荷載也經常偏大，有時甚至把設備的荷載作為均布荷載提出。尤其在方案階段，結構設計人員應多與工藝協調，盡量了解工藝布置，使設計和施工都減少了許多不必要的麻煩。

3.2 結構計算。隨著計算機軟硬件的迅速發展，解決了復雜的結構計算問題，使結構工程師們從繁重的瑣碎的計算工作中解脫出來。他們可以把大量的精力放在結構方案的選擇比較上，合理的確定結構方案及結構布置，從而提高設計水平及質量，降低工程成本。

3.2.1 樓面等效荷載的計算。荷載計算是結構計算的條件，荷載取值的準確性直接關系到計算結果的準確性，工藝條件中的荷載問題，如某個工程工藝提出樓面均布荷載為15kN/m2，而根據工藝的設備布置圖和設備的重量，根據規范給出樓面等效荷載的計算方法，計算出的樓面均布荷載按10kN/m2考慮即可。

由于多層工業建筑與一般多高層民用建筑結構形式、樓面活荷載等有許多不同之處，多層工業建筑樓面活荷載大于多高層民用建筑。有的中小型機床上樓層、柱上、梁上還有吊車荷載，它的跨度柱網一般比民用建筑大，層高相對較高，最大特點是整個平面幾乎沒有內隔墻。多層工業建筑一般采用現澆鋼筋掘凝土板梁柱結構，板厚比一般民用建筑厚，樓板的平面剛度可視為無窮大，電梯貨梯間，如不用剪力墻:整個剛度重心移向剪力墻，而電梯或貨梯一般設在端頭，結構剛度布局就不合理，所以電梯貨梯間就使用框架填充墻結構。

3.2.2 節點核心區的抗剪驗算。框架節點的設計應遵循“強柱弱梁更強節點”的原則，一二級抗震等級的節點還應進行受剪承載力計算。由于多層廠房的梁柱中心線往往不能重合，加之柱的截面比較大，節點偏心也比較大，對柱節點核心區的構造和受力都有較大的不利影響。因此，大跨度、大空間、大荷載的多層廠房的節點核心區的抗剪驗算顯得更為重要。

3.2.3 裂縫寬度、罕遇地震的驗算。裂縫寬度的驗算是為了滿足正常使用狀態的要求，規范規定混凝土梁的裂縫寬度不應大于0.3mm，如計算中超過，可以通過減小鋼筋截面、增加鋼筋根數來調整，如果還不滿足要求，應修改柱梁截面重新計算。抗震設計的原則是三不準，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。所進行的抗震驗算僅滿足“小震不壞”，構造上加強來滿足“中震可修”，罕遇地震的驗算則是滿足“大震不倒”。規范規定79度時樓層屈服強度系數小于0.5的框架結構宜進行高于本地區設防烈度預估的罕遇地震作用下薄弱層(部位)的抗震變形計算，并且規定結構薄弱(部位)層間彈塑性位移角應小于1/50。多層廠房的設備投資經常遠遠大于土建投資，罕遇地震的驗算應屬必要。

3.2.4 與電梯井筒相連框架的考慮。過去設計按純框架計算，電梯井壁按構造配筋，這樣偏低不安全，框架部分應按壁式框架計算出的數值進行配筋，電梯井壁則應按剪力墻配筋。

另外，多層廠房一般有多層多臺吊車，在設計中采取的辦法是將一層吊車作為吊車荷載輸入，而將其余層的吊車荷載作為活荷載考慮。

綜上所述，做好多層工業廠房結構設計的關鍵在于:概念應清楚，結構選型應做到合理;施工圖的設計應與施工相結合，避免施工困難;結構計算要準確，計算中應反復試算，調整截面，以達到最佳設計。