某大型輕鋼廠房的鋼結構設計

摘 要：闡述了某大型輕鋼廠房對縱橫向溫度伸縮縫的處理方案、支撐布置方案、18m柱距處，屋面、墻面結構的設計，以供設計人員參考。

關鍵詞：大型輕鋼廠房；伸縮縫；支撐布置

1 引 言

某工程為單層門式剛架輕型鋼結構廠房，成L形，長531m，最寬處204m，建筑總面積為98334m2。柱距為9m，最大柱網為18×30m，屋面檐口標高為10.6m，局部高屋面檐口標高為26m，屋面采用單脊雙坡的形式，坡度為4%。該工程設計的難點在于縱橫向溫度伸縮縫的處理、支撐的布置和形式、18m柱距處，屋面、墻面結構的設計。

2 縱向溫度伸縮縫的處理

按照規程[1]規定本工程縱向長531m，橫向最寬204m，均已超出規程要求。因此，如何解決溫度伸縮問題是本工程設計時首先要解決的問題。通常情況下，經常采用設置雙排柱方式，將結構分為兩個部分，如此每個部分的縱向長度均小于規程所規定的溫度區段長度。但該做法需增加一榀框架，既增加了造價又不美觀亦不利使用。結合建筑師的要求，該工程不能采用雙柱方式，仍然要求采用單柱方法。從溫度釋放原理上來說，只要結構有一定活動空間，就不會產生溫度應力。例如采用螺栓連接的剛接剛架其溫度應力明顯小于采用焊接方式的剛架。同理，本工程也可以采用類似方法，模仿抗風柱與剛架梁連接采用橢圓孔連接方式。選取某一榀作為分界點，保證兩邊縱向方向長度均小于規范要求溫度區間長度。將一邊所有與分界點處剛架連接的構件全部采用橢圓孔連接。這些連接構件主要包括檁條、墻梁、吊車梁等構件，特別注意的是墻面板和屋面板的連接節點也應做相同的處理。通過設計計算對所有構件的長圓孔孔長均取70mm。

3 橫向溫度伸縮縫的處理

橫向溫度伸縮與縱向伸縮縫相同，但處理的方案略有不同。縱向方向上經常采用的設置雙柱雙基礎的方式，在處理橫向溫度縫較少采用。這種方式增加了一排柱列而不是一榀剛架，從用鋼量和結構總造價上來說，顯然難以接受。其次，可以采用與縱向溫度縫一樣方式，通過設置橢圓孔連接，但是這種方式增加了水平支撐，同時剛梁的截面變化較大，生產制作成本增加較多，也不宜采用。綜合考慮各種方案，且滿足建筑師的要求，最后采用溫度應力計算方式，這樣會導致剛架柱的下柱用鋼量有一定的增加，但不會增加生產制作成本。

在內力分析時，對于剛架在溫度荷載作用下的內力計算采用3D3S軟件進行計算。通過計算可知：溫度應力在剛架柱應力中所占的比例依次為16%，13%，11%，5%（由邊柱到中柱），溫度應力對剛架的影響比較大的。雖然門式規程認為門式剛架橫向寬度小于150m時可不考慮溫度應力，但實際上當剛架橫向寬度接近150m的時候對某些剛接剛架的邊柱實際溫度應力可達到15%左右，設計中應該注意。

為進一步減小溫度應力，在圍護上也采取了相應措施，將單坡屋面板沿縱向設置一道溫度伸縮縫。

4 支撐體系

通過上述溫度伸縮縫的處理，實際上已將整個廠房分成了兩塊，對左右兩塊按間距不宜大于60m布置一道屋面水平支撐，每塊各布置了七道屋面水平支撐。同時，在與屋面水平支撐相同的柱間設置柱間支撐，考慮到便于溫度應力的釋放，取消每塊端部柱間設置的下柱支撐。在與屋面水平支撐相同的柱間設置柱間支撐，局部高屋面上設置橫向、縱向水平支撐，且低屋面與高屋面相鄰的四周，低屋面開間上增設水平支撐，如圖1所示。

輕型門式剛架有兩個特點：①圍護采用壓型鋼板，屋面、墻面面板緊緊的聯系在一起，形成一定的蒙皮效應，蒙皮效應對于結構的整體性及穩定性提供了重要作用；②輕鋼廠房屋面荷載較小，剛架構件軸向方向上較長導致線剛度較小，次構件與主構件相比有較大的相對剛度。但本工程剛架構件截面剛度較大，次構件剛度不完全足以約束主構件。因而，采用了下述措施來保證剛架構件平面外穩定性：柱間支撐均采用角鋼支撐；為減小柱平面外計算長度且降低用鋼量，C軸線鋼柱采用箱形截面，B、D軸線沿柱高度方向加設了三道通長的剛性系桿。山墻處低屋面與高屋面雙層屋面梁采用交叉的圓管支撐及H型腹桿連接形成桁架如圖2所示。

對于低屋面布置一道水平支撐，廠房兩端部采用角鋼支撐，其余均采用張緊的圓鋼交叉支撐。局部檐口較高處，屋面水平支撐則設置縱橫向角鋼支撐。由于水平支撐把內力傳給直腹桿，剛架柱頂直腹桿內力較大。對于輕剛結構體系，低屋面檐口處直腹桿可由天溝支架兼作系桿，中列柱通長剛性系桿則由雙檁條兼作，可節省大量鋼材，有利于提高廠房縱向剛度。高屋面除檐口處直腹桿由天溝支架兼作系桿，其余均由通長圓管作剛性系桿。

5 18m柱距處，屋面、墻面結構的設計

由于18m柱距較大，會遇到以下困難：①檁條、墻梁的計算長度過長，C、Z型冷彎薄壁型鋼很難滿足要求；②屋面板、墻面板不能提供檁條、墻梁的側向彎扭約束剛度。綜合考慮后，參考規程[2]，進行了以下處理：屋面每間隔10m設一托梁，撓度按1/400控制，在托梁中間9m處沿跨度方向設有次梁，用次梁將18m分為兩個9m開間，承擔屋面9m范圍內荷載，撓度按1/250控制，且作為托梁側向支撐點，減小平面外計算長度。在18m柱距內屋面設縱向水平支撐將水平力傳至兩邊剛架，一部分豎向力則通過托梁傳至兩邊剛架。外墻面風荷載則通過交叉的角鋼支撐及在四分點處設H型直腹桿將屋面托梁作為上弦桿、吊車梁制動結構的邊梁作為下弦桿形成抗風桁架，使結構形成幾何不變體系。

6 結 語

隨著鋼結構行業的發展，大型鋼結構工業廠房也越來越多。這些超限廠房，除結構設計比較復雜外，施工上也應特別注意施工安裝順序。本文結合所遇到工程，總結其結構設計特點，希望能給工程設計人員提供幫助。

參考文獻

[1]《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS102；2002）》，北京：2003.

[2]《鋼結構設計手冊（上冊）（第三版）》，北京：中國建筑工業出版社，2004.

作者簡介：卜科（1981-），女，本科，從事鋼結構設計工作。