多層輕鋼結構工業廠房的設計探討

文/ 吳陳　上海藍科石化環保科技股份有限公司　上海　201204

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多層輕鋼結構工業廠房的設計探討

文/ 吳陳上海藍科石化環保科技股份有限公司上海201204

【摘要】多層輕鋼結構廠房具有自重輕、抗震性能良好以及施工速度快等特點，因此在工業廠房設計中得到了廣泛的應用。本文筆者通過結合某鋼結構廠房實例，探討多層輕鋼結構結構布置等，并進行了經濟指標的比較，希望能對類似工程起到借鑒作用。

【關鍵詞】多層輕鋼結構；工業廠房；設計

1、多層輕鋼結構廠房結構方案分析

多層輕鋼結構廠房的層高和柱網尺寸往往較大，一般情況下層高可以達到4～8m，柱距則在6～12m之間。通過對比傳統鋼筋混凝土廠房表明，輕鋼廠房具有施工快速等優勢，這些都能夠有利于工期的縮短。

2、工程實例

本工程為某一多層輕鋼結構廠房的設計工程，主體部分為4層，柱距縱向為6m，橫向分別為6.9m、7.5m以及13.5m。主承重結構體系采用三跨工形截面鋼框架結構體系。屋面采用薄壁型鋼C型檁條和雙層保溫層面板。樓面采用壓型鋼板組合樓蓋，墻面采用外掛夾芯板的形式，內墻均為輕鋼龍骨石膏板輕質隔墻。以下將基于結構布置方案優化等策略對本工程鋼結構優化設計展開探討。

3、多層輕鋼廠房的結構布置優化

（1）結構體系。一般情況下，多層輕鋼廠房主要采用的構件截面類型為工字形梁、箱形柱等，但這種截面類型構件通過鋼板焊接，側向剛度較弱，需要設置側向支撐。往往采用的是工形或者箱形柱和工形梁所組成的空間框架體系。在這種體系中主要采用的構件是由鋼板焊接而成的。這些體系具有側向剛度小的特點，因此需要設置側向支撐以確保側向的穩定性，或可采取框架-鋼混剪力墻體系，從而有效的確保結構的水平位移滿足相關要求。

（2）柱網布置。在多層輕鋼廠房的結構設計中，首先需要考慮的一個問題是如何配合工藝進行柱網的平面布置。在傳統的設計中，往往將柱距模數定為3m、6m、9m或者12m。但是對于多層輕鋼工業廠房結構而言，在滿足工藝流程及設備布置的前提下，可按以上模數進行初步定位，但要通過多次、反復的建模計算和調整，結合基礎及地基處理方案、鋼構件加工及安裝方案等多種因素，最終優化確定最經濟合理的結構布置。

（3）支撐體系。多層輕鋼結構廠房存在側向剛度較弱情況，尤其是水平荷載作用下導致其側向位移較大，因此需要在廠房縱向及橫向均要設置可靠的支撐體系，如柱間支撐、水平和垂直支撐、系桿等，這樣即可形成幾何不變體系。部分設計人員在布置及選型上不夠優化，如溫度區間取值太小、可選柔性支撐的選用了較大截面的剛性支撐等等問題，造成不必要的麻煩和浪費。

（4）節點構造。目前在多層輕鋼結構工業廠房中，節點構造大多采用焊接工形或者箱形的截面形式。一般設計人員在設計時往往選用國標圖集或軟件自行設計的節點形式，不但不夠經濟合理，而且增加了大量的現場焊接工作量，這與當前工業廠房建設的趨勢相悖。由于多層房屋鋼結構的板件寬厚比較大，因此應盡量避免在施工現場進行焊縫的連接作業。

（5）圍護結構。在多層廠房中，為了減輕結構的自重，其圍護結構往往采用輕質材料。一般情況下，外墻可以采用非自承重式輕型墻體，則底層墻體則可以采用空心粘土磚砌體。內隔墻則可以采用空心砌塊，屋面結構則可以采用壓型彩鋼板+薄壁冷彎型鋼檁條體系，大大減輕了屋面自重；對于大跨度的廠房結構還可以采用網架、膜殼結構等屋蓋形式，更加美觀、更加經濟合理。

（6）樓面結構。多層輕鋼結構工業廠房的樓板應滿足承載力、剛度以及整體性的要求。目前主要采用的樓面構造有以下兩種：

壓型鋼板組合樓蓋：這種樓蓋是在鋼梁上鋪設壓型鋼板，接著采用栓釘將壓型鋼板和鋼梁連接固定在一起，并在其上澆筑鋼筋混凝土板。在對這種樓蓋結構進行設計時，重點應考慮鋼梁和樓板的組合作用，這種設計方法可以有效的降低多層廠房的總用鋼量。

預制板疊合層組合樓蓋：這種樓蓋是在鋼梁上鋪設預應力鋼筋混凝土薄板，并在其上澆筑鋼筋混凝土板。這種樓蓋中并不需要采用壓型鋼板，從而減小了工程造價。

4、多層輕鋼廠房的計算與設計要求

4.1計算方法

目前在對多層輕鋼廠房進行結構設計時，存在一些簡化公式進行手算，但是基本上大部分對其進行設計時，采用的是通用有限元結構分析程序或者鋼結構設計專用程序。本工程所在地基本風壓為0.3kN/m2，設計地震烈度為7度，場地類型為Ⅳ類，屋面恒載為0.5kN/m2，活載為0.3kN/m2，樓面層恒載為3.8kN/m2，活載為7.5kN/m2，其他樓層恒載為3.8kN/m2，活載為4.5kN/m2，

本工程進行結構的計算分析，主要計算的內容為框架桿件強度、剛度以及自振周期。考慮到本工程的結構采用的是縱向對稱布置的形式，因此可以將其簡化成平面結構模型。對于框架的附屬結構則可以將其簡化為荷載進行處理。

4.2設計基本要求

在對多層輕鋼廠房進行設計時，框架梁柱應確保滿足承載力的要求，剛架柱構件應確保滿足穩定性的要求，鋼框架應確保滿足整體穩定性的要求。此外，還應對主剛架的整體橫向剛度進行檢驗。如頂點水平位移與總高度之比不宜大于1/500（風荷載作用下）等要求。

4.3結果分析

（1）結構振型和自振周期。本工程的多層輕鋼廠房結構在水平方向上的主要振型并沒有出現明顯突變的問題，這表明本工程的結構體系沿著高度的方向上質量和剛度分別均較為合理。計算出本工程結構體系X方向的6個基本自振周期。振型1周期1.339s，振型2周期0.418s，振型3周期0.233s，振型4周期0.183s，振型5周期0.093s，振型6周期0.072s。

（2）主要構件尺寸。在本工程中，結構的框架梁柱采用的是焊接工字形截面形式。框架柱則采用雙角鋼和雙槽鋼支撐體系。根據構件尺寸的計算結果，并對梁柱截面規格尺寸進行了相應的優化和歸并，如表1所示。同時計算結果表明，梁柱的設計應力均控制在規范規定的設計限制的90%以內，結構在水平荷載以及地震作用下所產生的側向位移均滿足相應要求。

表1　優化前后梁柱截面尺寸比較

結語：

多層輕鋼結構廠房鑒于其具有施工便捷等優勢而被廣泛應用，結合工程特點對其采取合理的結構布置優化對于控制工程成本等具有重要意義。文章通過結合筆者工程實踐經驗，以某輕鋼廠房設計為例，系統地探討了鋼結構廠房的結構布置優化方式，同時經過計算分析結果表明，本工程所采用的結構布置是合理有效的，可為同類工程提供參考實例。

參考文獻：

[1]余安勝，葉修喜．談輕型門式剛架廠房的優化設計[J]．工程建設與設計，2010，（06）：18-22.

[2]蔡明喜，牛夢實．淺談門式鋼架輕型房屋鋼結構優化設計[J]．甘肅冶金，2011，（08）：227-229.