多連跨重型工業廠房的設計探討

張梅雙

（天津市化工設計院，天津300193）

多連跨重型工業廠房的設計探討

張梅雙

（天津市化工設計院，天津300193）

為了提高我國的重工業發展水平，增強在國際大環境市場經濟中的競爭優勢，重型工業廠房的建設必須做好科學規劃和設計，使其能滿足各種重工業生產的需要。多連跨重型工業廠房的廠房結構跨度、縱向柱距、廠房吊車起重量和廠房承重構件的承載能力都比較大，這使得重型工業廠房的建設多采用多連跨。以下將以某化工廠的四連跨廠房為例來具體分析和說明。

多連跨；重型工業廠房；結構體系

1 多連跨重型工業廠房的概述

多連跨重型工業廠房是指重工業廠房中跨數多于兩跨的廠房結構形式。本文所探討工程為某化工廠四連跨重型工業廠房，建筑面積約為1萬多平米，長度120m，跨度方向為96m，為4等跨，每跨設有20t橋式吊車一臺，吊車軌道頂高度為15m，吊車跨度為21.5m。該場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，地震分組為第二組，場地土為中軟土，場地類別為Ⅱ類，50年一遇的基本風壓為0.35 kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2，本工程墻面采用彩鋼板，屋面采用鋼屋架及預制大型屋面板。

2 多連跨重型工業廠房的平面結構設計分析法

一般單層多連跨重工業廠房結構模型可以通過將其簡化成排架單元或剛架單元，然后采用中國建筑科學研究院的PKPM-PK、STS系列計算軟件來進行多臺吊車的最不利組合和多跨地震力的計算分析，框架附屬結構可簡化為荷載著力在框架相應的支撐處，這樣不僅能將主要的影響因素凸顯出來，還能使設計的計算過程大大簡化，本工程主要采用PKPM-PK進行計算。

2.1 豎向荷載

廠房結構的自重和吊車設備的自重等永久載荷、起重物體重量和房頂的活荷載等可變載荷都屬于多跨重型工業廠房的豎向荷載。屋面活荷載、雪荷載和屋面自重的標準值都在《建筑結構荷載規范》中有明確的標準值。本工程屋面采用鋼屋架及大型屋面板，豎向荷載統計見表1。

表1 廠房荷載標準值 kN/m2

2.2 風荷載

在設計多連跨重工業廠房時要主要考慮風荷載的影響。廠房在風荷載的作用力下會承受風壓力和風吸力。由于一般多連跨廠房的長、寬、高都較大，受到風的影響就越大，這種影響可能會造成吊車的故障，所以必須考慮風荷載的影響。垂直于廠房表面上的風荷載標準計算按照以下公式：

其中，βz為z高度時的風振系數，μs為風荷載體型系數，μz為風壓高度變化系數，ω0為基本風壓。查詢規范中全國各城市風壓的規定可知，地面粗糙類別為B類，本工程總體高度為19.5n，基本風壓為0.35 kN/m2，風壓高度變化系數和風振系數按相關公式計算。而由于風荷載在廠房表面的不均勻分布，在計算結構整體時風荷載體型系數μs對于屋面和墻面應有不同的取值。

2.3 地震作用

地震會使地面產生巨大變動，會使建筑廠房中產生慣性力，地震的等級越高，產生的沖擊力越大。另外，地震對廠房建筑的破壞作用還與廠房的重量、材料質量、結構布局有關。若廠房所在地為地震多發區，就要計算其作用下的彈性分析，主要檢驗結構部件的承載力、穩定性和層間位移；若為地震罕見區，則需分析彈塑性，并根據其驗證廠房結構的屈服機構和層間位移延性比。

在本建設工程的分析計算中，根據地勘報告本工程的抗震防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g的，地震分組設計為第一組。

2.4 吊車荷載

作為永久荷載的吊車梁軌道和結構產生的自重可以用節點恒載輸入軟件來計算，吊車在工作時多臺吊車的最不利組合作用將會被以吊車荷載輸入系統。吊車荷載有三種計算方法，本工程設計選用手工計算法：

最小輪壓Pmin=（吊車總重+起重量）/一側輪數—最大輪壓Pmax

橫向水平荷載Tk=η（小車重量+額定起重量）× 9.8/一側輪數/2

其中η的取值會根據吊車的不同而改變，本工程中采用的是硬鉤吊車，因此取值20%。

3 多連跨重型工業廠房的空間結構設計分析法

3.1 空間計算模型的樓層處理

在對帶吊車的多跨重型工業廠房進行空間模擬分析時，要根據廠房結構體系、結構材料的不同做出不同的設計選擇。多跨重型工業廠房與一般的結構體系由于受力位置不同，吊車荷載作用位置不同，荷載作用點（牛腿或肩梁）將框架柱分成上柱和下柱，甚至有時還有中柱，每根柱都有多個截面要計算，因此在荷載作用點（牛腿和肩梁）處設置一個標準樓層。

3.2 空間計算模型的節點處理

吊車荷載作用的牛腿處或肩梁一般沒有樓板，因此該層節點為不受剛性樓板假定制約的“彈性節點”。地震作用時的振型個數會隨著廠房結構定義的“彈性節點”的增多而增加，振型個數的分析應采用“總剛模型”。

3.3 柱截面形狀的等效替換

在設計多連跨重型工業廠房的空間結構模型時，可供選擇的柱截面只是有限的幾種形式，而且不包括格構式截面。但是在重型工業廠房結構體系中的柱基本都是格構式柱截面，所以在進行多連跨重工業廠房的分析設計時通常采用等效替代的方法。

3.4 吊車荷載的處理

軟件程序可以通過計算吊車運行軌跡來得出吊車荷載的作用點，也就是與吊車軌道相交的柱列各節點。但是在地震分析時卻沒有將吊車橋架質量和硬鉤吊車的吊重質量列入考慮，這是因為二者是移動荷載，而目前的程序只能計算一組固定質量的地震作用。

3.5 可變荷載的最不利布置

可變荷載由于其在時間和空間上分布的隨機性，在多連跨重構設計中可以通過調節可變荷載的不利位置，從而找出整個結構中受力構件最不利的受力狀態。對本層影響較大的是梁的活荷載，同時層與層之間的影響也不大，所以在分析時采用分層剛度模型。

本工程將恒載和活載分開輸入，并將梁的活荷載不利布置考慮在內，選擇單向荷載導荷方式和一次性的加載方式。

實際模型要想比較真實的模擬，就要在解決平面建模和空間建模的關鍵技術問題后才能得以實現，這樣模擬之后就可以更好的對廠房進行分析。

4 多連跨重型工業廠房結構體系分析

4.1 水平受力體系

本工程屋蓋的做法是采用的在鋼屋架上鋪預制鋼筋混凝土屋面板傳統做法，這種屋蓋結構的抗水平荷載能力差，整體性不強，為了改進這種方法帶來的不足，本工程在廠房的周邊增設封閉的上下弦水平支撐和縱向垂直支撐，相對應的位置設置柱間支撐，以達成封閉的支撐系統，提高結構的整體協調變形能力。多連跨重型工業廠房建筑體系還可以采用空間網架結構。網架結構的整體效果好，剛度大，內部各構件可以互相支撐，力的傳播途徑簡單易分析，而且材料的利用率達到最大。

4.2 豎向受力體系

在多連跨重型工業廠房的結構組成中，若按三維角度考慮，豎向的受力系統一般由橫向框架和豎向框架兩部分構成。橫向框架又可以根據柱腳構造、梁柱節點連接方式和支撐的布置等方面分為四個不同的類別。若從工程建設方面來看，多連跨重工業廠房的結構受力體系可分為框（排）架支撐體系和純框架體系。框架支撐體系的柱間支撐可能會影響生產過程中的使用，適用于縱向長、橫向短的廠房。純框架體系不設置柱間支撐，有利于工藝布置，但不宜使用在水平載荷大或長期處于振動狀態的廠房。

總之，本工程僅以某化工廠四連跨重型工業廠房為例進行分析探討，研究對象比較單一，且未考慮基礎設計及施工、運輸、安裝等方面的實際要求。不同的設備、不一樣的工藝流程對多連跨重型工業廠房的構建提出不同的要求，靈活多變的結構體系，形式多樣的梁柱截面，都應該根據廠方自身特點做出調整和改進從而實現多連跨重型工業廠房的不斷擴大化和科學化，為重工業企業帶來更好的效益。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.022

TU208.5

C

1008-1267（2015）04-0054-03

2015-04-18