單層鋼結構廠房結構優化設計方法探討

黃一波

（武鋼建工集團金屬結構公司 湖北 武漢：430080）

單層鋼結構廠房是常見的一種廠房，冶金企業的熱軋、冷軋、硅鋼等所用的廠房都屬于這一類，門式剛架廠房也屬于這一類。在門式剛架廠房中，如果吊車起重量、柱距等均超出了《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的適用范圍，計算時不能用《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》，應該采用的設計規范是《鋼結構設計規范》（GB 50017－2003）。

冶金廠房生產工藝復雜，管線很多，一般是聯跨結構，而且跨度大，長度長，通風和采光要求高。設計中，應本著技術先進、經濟合理、安全可靠的原則。在材料選材上，所需要的鋼材應立足于市場常見材料，在結構選型上，應力求簡潔明快，經濟實用。優化設計，降低用鋼量，不是結構一個專業的事情。做好優化，前提是在滿足各專業的具體要求，不能犧牲掉廠房的使用功能而所謂優化。本文著重從經濟適用這個方面討論結構優化的方法。

1 確定廠房柱最經濟的柱網布置

了解場地條件和總圖（包括道路特別是場內道路布置），確定柱距。場內道路寬度范圍內不能布置柱子。根據軌頂標高、輪壓、廠房高度、屋面荷載等重要參數并結合柱間支撐角度確定最合適柱距。

（1）關于柱間距。按照經驗，對于軌頂標高不高（12米～15米）、吊車起重量不是特別大的廠房，基本柱距為12米～15米左右，那采用12米柱距合適，還是15米柱間合適呢？針對具體工程，不同的場地條件、使用要求，由于沒有大量的數據對比，還不能說15米柱距就比12米柱距整體耗鋼量小些。但是為了控制整個工程預算，在初步設計階段，結構專業就應該與各專業溝通。比如對建筑專業應提出要求，可用可不用天窗就堅決取消天窗。如果一定要用，就建議采用自重相對較輕的成品通風器，不要使用傳統天窗。屋面彩板在滿足使用年限的前提下盡量使用自重輕的材料，這樣達到降低屋面自重、擴大柱距的目的，從而為進一步降低整個工程造價提供了有利的條件。

總之，由于各工程具體條件與設計參數各不相同，在工藝與建筑等布置合理適用的前提下，結構計算與控制指標精益求精，采用12米柱距與15米柱距都是可行的。理想狀況是做到屋面梁與吊車梁的強度和撓度同時達到控制標準。需要注意的是，在廠房縱向不長時，柱距偏大，柱間支撐不好布置（往往結構理想位置難布置，支撐角度又不好），廠房整體剛度偏不利，耗鋼量優勢體現不出來。

對于軌頂標高（大于25米）和廠房高度較高廠房結構，因為設計指標主要由橫向剛度控制，采用12米或15米柱距恐怕就不經濟了。很多廠房均采用基本柱距18米。

（2）少拔柱或不拔柱的情況。在方案與初步設計階段，如果能積極地了解工藝基本寬度要求，在場地容許與滿足工藝基本要求的前提下，完全可以做的少拔柱或不拔柱。要避免布置托架和大跨度吊車梁，大大增加用鋼量。所以少拔柱或不拔柱對結構計算與構造、整體剛度與耗鋼量指標的優化有很大意義。柱距的選擇沒有必要堅守3米的模數。模數的概念是由于以前采用標準的大型屋面板和墻板或砌體，現在廠房的建設方式變化了，都采用工廠或現場制作的鋼結構，遵從模數沒有多大意義。可以先將超過基本柱距的柱子按工藝的基本要求布置下來，余下的柱距按基本柱距布置，沒有必要所有柱距非要12米或15米或18米。這樣可減少計算工作量，減少構件種類。

2 廠房最小高度與最小柱肢寬度的確定

確定廠房高度先要準確弄清工藝的要求，看準制造廠的吊車資料。一般是建筑專業按工藝專業要求先行，但是否準確，特別是與廠房結構內部各有關系統是否打架，需要具體分析，有時需要放大樣。廠房高度與吊車橋架上小車的凈空要求直接有關，如果有單軌吊時，由屋面單軌吊檢修走道以下的凈空控制。走道上有走人的凈空要求，不能讓檁條碰頭，又要照顧到單軌軌底標高之間的關系。另外，還要考慮管道布置（如過跨的雨落水管）、屋面結構的撓度等因素，這是基本要求。當相鄰跨廠房高度相差不大時，最后統一高度。當工藝將吊車跨度Lk確定后，從吊車資料上，可以了解吊車端部長度、距上柱最小寬度要求，通過計算和人孔構造（一般寬度≥400mm）要求確定了上柱截面高度及確定了吊車輔助系統的最小寬度要求后，下柱的基本寬度就確定了。

另一方面，下柱橫向肢距也不能太小，首先，不利于管線布置。對于高跨廠房，需要很大的橫向剛度，通過上述方法確定的雙管柱柱肢寬度往往不夠，特別是對于彎矩起決定作用的邊跨柱。當確定了較大的下柱橫向剛度后，下柱截面大小往往由單肢平面外穩定即肩梁高度控制。所以對高跨廠房，一般在下柱中部設有縱向管橋，可以減小下柱平面外計算長度，對控制下柱截面直接有效。要想獲得較精確的經濟指標，需要反復試算。由于加大雙肢柱距并不影響下柱本身的鋼材量（只是柱肢斜桿增長），但獲得了較大的橫向剛度，分配的彎矩增大了，屋面橫梁與上柱分配的彎矩相應小了，斷面可以小些，對減少耗鋼量有意義；同時對抗震設計有意義（強柱弱梁），當然，也不能因此使基礎面積或樁數有實質性增加，避免增加工程量。

3 基礎埋深

基礎埋深與建筑（構筑）物高度有關系，與地基條件有關系。北方寒冷地區還要考慮凍土深度。按現行《混凝土結構設計規范》第3.4節關于耐久性規定，嚴寒和寒冷地區的露天環境、與無侵蝕的水或土壤直接接觸的環境屬二（b）類環境，混凝土最小等級為C30，其配比還有限制要求。這點對設計北方工程不要忽略，《混凝土結構設計規范》第3.4.5條關于混凝土抗凍要求也要注意。

廠房柱基頂面標高一般均做在－1.0米～－1.5米。鋼柱腳埋在土里還需要混凝土保護，原因是靠近設備基礎較近的柱基表面、柱肢之間可能布置管溝。如果沒有管溝或管溝可以繞過，基礎頂面可以做高一點，可以減小柱子計算長度，節省鋼材。

4 單層廠房各系統的優化實例

根據以上原則，在某大型鋼鐵公司硅鋼廠主廠房1區的設計中采用了上述辦法的一部分優化措施。經過優化鋼結構用鋼量降到145kg／m2。

4.1 柱網確定

該主廠房面積212400平米（見圖1），跨度分別為27米，30米，39米，42米，軌頂標高13米左右，柱距選擇為15米。這樣的柱距比12米柱距節省柱子數量，也更能更好的利用地面空間。

圖1 主廠房1區柱網圖

4.2 廠房框架體系

經過比較，本工程中采用了排架結構而不是剛架結構（見圖2）。車間軌面不太高的格構式鋼管混凝土下柱的階形柱鋼結構框架體系中，排架結構比剛架結構更經濟：廠房上部結構可以節省約5%以上的鋼材，基礎一般也會比剛架結構省。主要原因是排架體系中屋架沒有傳遞彎矩給柱子，柱子本身受彎比剛架體系要小，所以上柱斷面可以設計得更小。柱腳的彎矩相對鋼架體系也小，所以基礎也受彎小，可以設計得更經濟些。

圖2 排架結構

4.3 廠房鋼結構構件系統

4.3.1 屋蓋系統

與建筑專業溝通，針對本工程柱距，跨度的特點，采用大波高壓型板，使最大檁距達到4.5m，減少了檁條數量，減輕了自重。很多軋鋼廠房的天窗均采用了成品氣樓，其自重輕，相應廠房結構此項荷載比傳統天窗小，耗鋼量小，廠房抗震性也好。本次設計采用的成品氣樓為4.5kN／m，比較輕。檁條：采用蜂窩梁，在保證強度和剛度的同時降低了自重。屋蓋屋脊最高標高為23.6m，滿足了檢修單軌吊的凈空的最小要求。

圖3 蜂窩梁式檁條

4.3.2 吊車梁系統

為了達到強度和變形控制的統一，我們在翼緣和腹板設計中突破了規范對吊車梁腹板高厚比h0／tw和翼緣寬厚比Bf／Tf的構造要求的限制，采用局部屈曲理論，優化了斷面，減少了加勁肋，大大降低了用鋼量。

4.3.3 柱子系統

目前設計規程對鋼管砼柱長細比限值是80，我們消化學習了近年來的技術文獻及工程案例，又結合本工程受力特點，將長細比控制在100左右，與常規設計相比，技術上有了進一步的突破，大大減少了柱斷面，降低了用鋼量。上柱寬度1000mm，滿足剛度及人孔構造的要求。

4.3.4 墻皮系統

經過比較測算，結合該地區工程特點（風壓小，廠房高度變小），采用7.5m標準，減少墻皮柱，比常規設計的5m標準大大節省了用鋼量。

4.4 基礎系統

本工程基礎底面標高為－1.5m。另外為節省投資，經過比較，在基礎設計中采用新做法：基礎短柱中間開孔。這樣雖然增加了少量的鋼筋，但綜合混凝土量的減少，總的工程量仍然少。

5 結論

結構設計時要盡量優化，達到經濟合理的目的。根據該工程不同的場地條件和使用要求，選擇適當的優化手段。結構優化還有很多方法，總的目標是更加經濟適用。隨著新技術、新材料的不斷的使用，相信會有更好的設計優化手段出現。

［1］中華人民共和國國家標準.鋼結構設計規范（GB50017－2003）［S］.

［2］中華人民共和國國家標準.建筑地基基礎設計規范（GB50007－2002）［S］.

［3］中華人民共和國國家標準.混凝土結構設計規范 （GB50010－2002）［S］.

［4］鋼結構設計手冊（上、下冊）［M］.北京：中國建工出版社，2004.