某重型鋼結構廠房設計

鄭 聰

廈門華旸建筑工程設計有限公司（361004）

某重型鋼結構廠房設計

鄭 聰

廈門華旸建筑工程設計有限公司（361004）

該工程為帶有多層行車的重型鋼結構廠房，豎向構件采用鋼管混凝土格構柱+H型鋼柱，屋面采用變截面鋼梁。這里主要介紹該工程的結構設計思路、構造要求、計算依據和結果，還對鋼管混凝土格構柱的設計做了較深入的闡述并對其經濟性提出了一些看法。

鋼管混凝土格構柱；構造要求；計算依據；經濟性

1 工程概況

該工程為光伏光電裝備項目生產廠房，其建筑面積約7萬m2，左側為混凝土附房，右側為單層重型鋼結構廠房。

單層鋼構廠房縱向長度為300 m，橫向寬度為180 m，其中高跨部分60 m（兩跨），低跨部分120 m（五跨），各柱跨依次為30 m+24 m+18 m+24 m+ 24.75 m+30 m+30 m。高跨部分為三層吊車廠房，上層布置多臺200 t及150 t吊車，工作級別為A5，軌頂高度為18 m；中層布置100 t及50 t吊車，工作級別為A5，軌頂高度為12 m；下層局部布置有5 t半龍門吊。低跨部分為雙層吊車廠房，上層布置多臺100 t、75 t、50 t和30 t吊車，工作級別均為A5,軌頂高度為12 m;下層局部布置有5 t半龍門吊。具體如圖1所示。

2 結構體系

該工程所在地為非采暖地區，按照《鋼結構設計規范》表8.1.5，廠房縱向溫度區段長度控制值為220 m,橫向溫度區段長度控制值為120 m(柱頂為剛接)。

廠房縱向長度為300 m，需在中部設一道溫度縫，橫向寬度為180 m，其中低跨部分120 m,高跨部分60 m。考慮到高低跨對溫度應力的釋放作用，且低跨120 m未超長，故僅構造上加強，不設溫度縫。加強做法如下:1）對邊柱的應力進行適當控制，使其上階柱(型鋼柱)應力比不大于0.9；2）梁節點設計時，軸拉力設計值增大10%，以加強屋面梁連接節點。

廠房屋蓋在兩端及1/3溫度區段處布置橫向水平支撐及柱間支撐,縱向則隔跨布置縱向水平支撐，且高跨和低跨按各自的標高與橫向水平支撐組成相對獨立的封閉支撐體系。

圖1 布置圖

3 鋼管混凝土格構柱的選用

3.1 鋼管混凝土柱的特點

由于鋼管對其內部混凝土的約束作用，在軸壓力作用下，鋼管混凝土柱內部混凝土處于三向受壓狀態，不但提高了鋼管混凝土柱的抗壓承載力，具有較好的塑性變形能力，而且在承受沖擊荷載和振動荷載時，也具有很好的韌性。

與普通鋼柱相比，鋼管柱柱腳零件少，焊縫短，可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中，免去了復雜的柱腳構造，但是鋼管內部特別是節點處混凝土的密實性比較難以控制。

從觀感上看，鋼管混凝土格構柱比型鋼格構柱更美觀。

3.2 經濟性比較

該工程初設時，對鋼管混凝土格構柱和型鋼格構柱的經濟性作了比較，在不同柱距下的材料用量詳見表1。從不同柱距的結果來看，當柱距增大時，主體用鋼量先降低再增長，而吊車梁用鋼量保持上升趨勢，且幅度較大，導致總用鋼量先緩慢降低再迅速增長，管樁的用量則由于柱子數量的顯著減少而降低；從不同材料來看，鋼管混凝土柱的抗壓性能比較好，隨著柱距增大，其性能優勢漸漸得到發揮，其經濟性也逐漸得到體現。

表1 不同柱距下的材料用量

由于該工程低跨部分吊車噸位較小，從整體考慮，鋼管混凝土柱的經濟性優勢并不顯著，但考慮到美觀及施工等原因，結合上部用鋼量和基礎造價進行比較，最終選用柱距為9 m的鋼管混凝土格構柱。

4 剛架構造要求及依據

4.1 型鋼柱、梁板件寬厚比控制

抗規9.2.14.2條規定:輕屋蓋廠房，塑性耗能區板件寬厚比限值可根據其承載力的高低按性能目標確定。塑性耗能區外的板件寬厚比限制，可采用現行《鋼結構設計規范》彈性設計階段的板件寬厚比限值（注:腹板的寬厚比可通過設置縱向加勁肋減小）。

抗規9.2.14.2條文說明規定:

C類定義:當構件的強度和穩定的承載力均滿足高承載力（2倍多遇地震作用下的要求）時，可采用現行《鋼結構設計規范》彈性設計階段的板件寬厚比限值，即C類。

C類寬厚比要求:C類是指現行《鋼結構設計規范》GB 50017按彈性準則設計時腹板不發生局部屈曲的情況。

從以上條文可知，該工程可以按照C類截面要求進行性能化設計，其中耗能區段可以參照抗規9.2.11條文說明對剛架梁端最大應力區的規定，取距梁端1/10梁凈跨和1.5倍梁高中的較大值。

4.2 鋼管混凝土格構柱設計

目前，有關鋼管混凝土格構柱設計的主要參考規范為:①《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）、②《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS 28: 2012）、③《鋼—混凝土組合結構設計規程》（DL/T 5085-1999），其中《鋼結構設計規范》僅對鋼管結構的構造與鋼管桿件的計算提出了要求（格構柱綴件構造與計算）。

4.2.1 材料要求

該工程采用的是螺旋焊接管，螺旋焊接管常用規格如下:D219×6～8，D273×6～8，D325×6～8，D377 ×6～10，D426×6～10，D478×6～10，D529×6～10，D630 ×6～10,D720×6～12等。

在材料上規范③的6.2.4條明確提出,鋼管內混凝土的強度等級不宜低于C30，可參照下列材料組合:Q235鋼配C30或C40級混凝土；Q345鋼配C40、C50或C60級混凝土；Q390配C50或C60級以上的混凝土。同時，構件截面的套箍系數標準值不宜小于0.5。

4.2.2 鋼管構造

1）在外徑與壁厚之比d/t及壁厚等構造上,各本規范有不同的規定:規范①規定d/t不應超過100（235/fy）；規范②規定d/t限制在（20～135）235/fy之間，且外徑不宜小于200 mm，壁厚不宜小于4 mm；規范③規定d/t限制在20～100（注意無強度調整,即含鋼率控制在0.2～0.04）之間，且外徑不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。該工程設計時結合三者，控制d/t不應超過100（235/fy），且主管(帶混凝土)壁厚不小于4 mm。

2）規范③6.4.10條規定了格構式柱腹桿的形式及構造，本工程所采用的是斜腹桿格構式柱，主要要求如下:

①斜腹桿與柱肢軸線間夾角宜為40～60度；②桿件軸線宜交于節點中心；腹桿軸線交點與柱肢軸線距離不宜大于d/4,當大于d/4時，應考慮其偏心影響；③腹桿端部凈距不小于50 mm。

4.3 其他構造要求

4.3.1 分離式柱子

當吊車噸位在75 t及75 t以上時，不適合采用牛腿來支承吊車梁，宜在下層吊車梁下設單獨的吊車肢。

4.3.2 鋼吊車梁的材質要求

《鋼結構設計規范》3.3.4條規定吊車起重量不小于50 t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。

4.4 工程采用的剛架及部分節點大樣

1）考慮到荷載較小,該工程采用雙肢格構柱，鋼管柱材質為Q345B,鋼管柱綴條采用Q235B,鋼管柱柱肢內均澆灌微膨脹C40混凝土,剛架詳圖如圖2。

圖2 鋼架詳圖

2）施工方法采用泵送頂升澆灌法,在鋼管接近地面的適當位置設灌注孔，鋼管內混凝土必須一次性連續澆灌完畢,一定要保證密實,待混凝土強度達到設計要求后,再將灌注孔、排氣孔等補強補焊。灌漿孔進料管詳圖如圖3。

3）考慮到結構經濟性及施工便利性，鋼管柱采用插入式柱腳與杯口基礎連接。

圖3 灌漿孔進料圖

5 剛架計算

1）柱頂位移要求

《鋼結構設計規范》附錄A.2.1“在風荷載標準值作用下，框架柱頂水平位移和層間位移不宜超過下列數值:有橋式吊車的單層框架的柱頂位移≤H/ 400”。

2）行車水平荷載作用下的側向位移

《鋼結構設計規范》沒有關于中級工作制行車鋼結構廠房的在行車水平荷載作用下側向位移的限值要求，根據經驗，在滿足行車正常運行的前提下，按平面結構圖形計算，吊車梁頂面標高處，由一臺最大吊車水平荷載（按荷載規范）所產生的計算變形值，不宜超過下述容許值:

100 t行車1/850

150 t及以上1/1 250

3）撓度要求

屋面梁撓度限值取1/250，主要考慮重型吊車的原因，對屋面的剛度做適當加強。

4）長細比要求

構件長細比按照《鋼結構設計規范》表5.3.8及表5.3.9要求,其中重型吊車以下柱間支撐的長細比按拉桿計算，且不考慮壓桿的卸載作用。

5）該工程剛架計算

采用PKPM軟件進行剛架計算時，需注意圖中所示的應力比為構件考慮長細比影響的整體承載力折減系數,及偏心影響的整體承載力折減系數后，其作用軸力與整體承載力的比值。在此比值滿足要求的同時，尚應確認單管作用力與承載力的比值滿足要求，易出現整體計算滿足要求而單管軸壓比超出的情況。

6 結論

目前該工程已投入使用，實踐證明，在工藝允許時，通過優化柱距，協調主體及吊車梁的用鋼量，結構可以取得最佳的經濟性；當吊車噸位、柱距較大時,鋼管混凝土柱的抗壓性能可以得到充分發揮，此時結構亦可以取得較佳的經濟性。

參考資料:

[1]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[2]GB 50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

[3]CECS 28:2012,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].

[4]DL/T 5085-1999,鋼—混凝土組合結構設計規程[S].

[5]CECS 102-2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].