某廠房設計中的問題分析

【摘 要】近年來重型廠房的設計多采用普通鋼結構格構式柱和實腹式屋面梁體系，屋面和墻面均采用彩鋼板；這種結構自重輕，抗震性能好，施工速度快。筆者針對某鋼結構廠房設計中遇到的一些問題，如結構整體的計算、柱間支撐設計等相關問題進行分析和研究，以便對類似工程的設計提供參考。

【關鍵詞】鋼結構廠房；局部穩定；柱腳；柱間支撐

該廠房為三跨（36m+36m+30m），其中一個36m跨檐高33m，設有雙層吊車，上層吊車600t、軌高24m，下層吊車200t、軌高15m；另外一個36m 跨為200t 吊車，軌高15m；30m 跨為50t 吊車，軌高15m。柱距主要為12m和18m柱距；柱子主要為普通鋼結構格構式柱和鋼管混凝土柱，圍護系統為輕型結構彩鋼板。

1 結構整體計算

目前的結構計算基本上都采用計算軟件來進行，對軟件的不理解和不熟悉都會造成設計上的不合理，甚至不安全。這里針對以下幾個容易出錯的問題進行探討。

1.1 荷載問題

荷載的取值對結構計算影響較大，取小了不安全，取大了不經濟，尤其對于大跨度輕型屋面結構。荷載取值應按照《建筑結構荷載規范》進行。一般情況下屋面恒載應按照實際情況計算取值，屋面活荷載可取0.5kN/m2，風荷載、雪荷載和積灰荷載等按規范，其他附加荷載應按實際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計算時應取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應考慮積灰荷載。廠房屋面的通風器由于其高度和寬度都較大，計算時應按照實際情況轉化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應考慮積雪的堆積影響，防止由此產生的屋面結構的破壞。同樣局部風荷載的增大也會使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。

1.2 結構計算

目前的鋼結構廠房的計算多采用二維軟件對其中的一榀鋼架進行計算，整體三維分析仍然不夠成熟方便。此處對結構計算時的幾個問題進行簡單分析。

1.2.1 屋面梁的平面外計算長度可取隅撐的間距，一般對有托梁體系的小檁距屋面可取兩個檁條的間距（約3m），對無托梁的大檁距屋面可取檁條間距（約4m）。對重型鋼結構廠房，柱子的平面外計算長度不應考慮隅撐的作用，尤其是格構式下柱，否則是不安全的。

1.2.2 階形柱的平面內計算長度應該按照《鋼結構設計規范》確定，按線剛度比來確定會導致部分中柱確定的計算長度系數異常。用PKPM系列軟件STS（05版）對某工程進行計算時發現，當柱段中間出現剛接梁（如高低跨情況），程序就按線剛度比確定柱的計算長度系數，導致該柱的計算長度系數特別異常。新版的PKPM（08版）已改為按照階形柱的方式來確定柱計算長度系數，但仍可以人工按照線剛度比的結果進行修改。筆者認為，對于階形柱，按《鋼結構設計規范》階形柱來確定柱平面內計算長度系數更合理一些。

1.2.3 用STS軟件計算廠房柱，荷載組合中沒有單獨的恒+ 活+ 吊車的組合，有吊車的組合都有風，有時風作用是有利的，因此在吊車荷載與風荷載同時組合時，對于吊車為主的組合，判斷了一下風載是有利還是不利的，不利時，考慮與吊車進行組合，有利時可以不考慮風荷載。STS（05版）對是否有利是按M、N、V 各自分別判斷的，因此可能會出現M 含有風的組合，N 則沒有風的組合的不合理情況，導致計算結果偏大；STS（08版）改進為：根據組合的吊車主控制項，如吊1 的組合為+Mmax 主導作用的組合，則判斷風載是否不利只根據M 項來判斷，當為不利時，則同時都把風載M、N、V組合進來，保證是同時發生的，STS（08版）這樣組合更合理。

2 柱間支撐的計算

從歷次地震中所發生的單層鋼結構廠房的實際震害來看，廠房柱間支撐結構的震害主要表現為：上下柱斜撐的平面內屈曲，下柱支撐與柱連接節點的破壞和桿件拼接處的斷裂。柱間支撐是廠房縱向的主要抗震構件，因此其設計尤為重要，應進行嚴格的計算和采用合理的節點構造。

2.1 一般情況下，柱間支撐桿件的設計是由長細比控制的。但對于重型廠房、風荷載較大、設防烈度較高地區，尤其是廠房只設有一道下柱支撐時，支撐設計會轉變為由強度或剛度控制。

2.2 作用在柱間支撐上的荷載一般有山墻傳來的風荷載、吊車的縱向水平力、地震荷載和其它水平力（如管道推力等），風荷載和地震荷載不同時組合。吊車的縱向水平荷載標準值應按作用在一邊軌道上所有剎車輪的最大輪壓之和（ΣPmax）的10%采用，ΣPmax 可取同一柱列吊車梁上由兩臺起重量最大的吊車所有剎車輪（一般每臺吊車的剎車輪數可取吊車一側輪數的一半）的最大輪壓之和，對雙層吊車每層都應考慮；但按荷載規范，每一柱列縱向剎車力最多同時考慮兩臺，對雙層吊車可上下各考慮一臺。柱一側的吊車縱向制動力只能由緊挨其一側的單片下柱支撐承受。上柱支撐傳至下柱支撐的風荷載應按比例分配給下柱支撐的兩片。

2.3 柱間支撐在屋頂、上下支撐間及柱底基礎間均應設置壓桿或壓梁，以保證傳力準確。上下柱撐間的壓桿可用吊車梁來代替，但應驗算一般開間和柱間支撐開間吊車梁與柱牛腿的連接強度以及牛腿平面外構件和連接的抗彎強度。

2.4 正常設計的柱間支撐其破壞多發生于節點處。柱間支撐的節點設計一般有螺栓連接和焊縫連接兩種形式。震害統計表明，螺栓連接節點的損害率高于焊接連接節點，原因是連接節點存在構造缺點。螺栓連接在節點上的開孔削弱了節點板的受力面積，造成孔邊應力的集中，致使斷裂破壞。建議節點設計可采用少量安裝螺栓加焊縫的連接方式，但焊縫必須根據計算確定。對節點設計要按保證節點強度大于桿件強度，支撐與柱的連接不應小于支撐桿件塑性承載力的1.2 倍。

3 柱腳設計

鋼結構的柱腳主要有以下幾種：外露式剛接柱腳、插入式柱腳、埋入式柱腳和外包式柱腳等。一般情況下，工業廠房設計通常采用外露式剛接柱腳和插入式柱腳，后兩種柱腳常用于多、高層鋼結構建筑物。

外露式鋼柱柱腳支座連接破壞特征是柱腳底座的錨固螺栓剪斷或拉壞，甚至拔出。柱腳連接的破壞使鋼柱失去穩定，導致廠房因柱傾斜而倒塌。插入式柱腳對單桿軸心抗拉試驗的破壞均發生在基礎杯口內側面與二次澆灌層之間，而鋼柱與二次澆灌層的黏結面不論鋼柱底部有無底板，均未見破壞；格構式柱插入式整體柱腳杯口基礎的破壞機理與單桿軸線抗拉有所不同，受拉肢除承受拔力外，其插入段對混凝土基礎的側壁產生撬力，故基礎是在拉力和撬力的共同作用下形成以拉、剪為主的裂縫，最終以受撬力作用的杯壁塊體突然向外崩出而破壞。外露式柱腳在輕鋼結構廠房和6度、7度時可采用，其它情況應采取保證能傳遞柱身承載力的插入式柱腳。另外單層廠房柱的外露式剛接柱腳消耗鋼材較多，即使采用分離，柱腳重量也約為整個柱重的10%～15%。為了節約鋼材，目前多采用插入式柱腳。

目前很多設計單位對插入杯口的柱段設置栓釘，以便增加鋼柱表面與二次澆灌層的黏接力，但試驗表明破壞一般發生在基礎杯口內側面與二次澆灌層之間。而且設置栓釘后還需增大杯口尺寸，一些施工單位則采用鋼筋來代替栓釘，并且焊接質量較差，有的用腳都能踢掉，嚴重影響結構安全。《鋼結構設計規范》只是要求埋入式和外包式柱腳宜在埋入部分和外包部分的柱翼緣上設置栓釘。因此，對插入式柱腳插入混凝土中的部分可不設置栓釘。

4 結論

有時候規范的制定其實并不能涵蓋所有工程結構設計的情況，鋼結構廠房設計在滿足工藝布置的前提下，需要我們設計人員了解具體項目的實際特點，運用規范，靈活把握，才會使得工程結構設計更加安全經濟合理。