空腹鋼柱單層工業(yè)廠房結構設計研究

【摘要】空腹鋼柱是一種新型的鋼結構構件，具備抗震性好、加工制作方便、便于布置人行通道等優(yōu)勢，近年來在單層工業(yè)廠房鋼結構設計中有著廣泛應用。本文基于大量的文獻資料對空腹鋼柱的特點進行了分析，然后探討分析了空腹鋼柱單層工業(yè)廠房結構設計中的相關問題，僅供參考借鑒。

【關鍵詞】空腹鋼柱；結構設計；單層廠房

由于生產(chǎn)作業(yè)的需求，單層工業(yè)廠房建筑越來越多。單層工業(yè)廠房的加工制作流程相對簡單，內(nèi)部容易布置生產(chǎn)運輸通道，擺放比較重的機械設備和產(chǎn)品，很好的滿足一些企業(yè)生產(chǎn)需求。但是單層工業(yè)廠房占地面積一般較大，相應的跨度也較大，存在局部破壞、倒塌的隱患。為提高單層工業(yè)廠房安全，必須科學合理設計廠房結構。下面以空腹鋼柱單層工業(yè)廠房為例，對單層鋼結構工業(yè)廠房結構設計中相關問題進行了分析。

1、空腹鋼柱

空腹鋼柱是相對于實腹鋼柱而提出的，是鋼結構中的一種腹部構件，可以在結構中參與承受軸力和彎矩。與其他類型的鋼構件相比，空腹鋼柱的特點明顯。第一，具備良好的抗震性和較高的承載力；第二，內(nèi)部空間使用方便，便于布置各種人行走道和管道；第三，生產(chǎn)加工制作簡單，降低成本投入；第四，具備極好的變形適應能力，可以承受較大的水平變位。

2、空腹鋼柱單層工業(yè)廠房結構設計的相關問題

2.1單層廠房結構

單層廠房結構組成主要包括橫向排架、縱向聯(lián)系構件、支撐系統(tǒng)及外圍護結構等。空腹鋼柱是橫向排架中的重要構件，主要承受軸力和彎矩，常見形式有方形、圓形等。某單層工業(yè)廠房為鋼結構，凈高23m，跨度50m，柱距10m，總長為160m，平面圖見圖1。抗震設防類別為乙類。

圖1 單層工業(yè)廠房平面圖

2.2腹柱構件選取

目前，單層鋼結構工業(yè)廠房柱構件主要有實腹柱、斜腹桿格柱、空腹柱等幾種形式。實腹柱適用于中小跨度的單層工業(yè)廠房，但是本工業(yè)廠房的跨度較大，且廠房凈高大，不易采用實腹柱。如果采用實腹柱，只能將人行走道、風管等布置在柱外側(cè)。根據(jù)本工業(yè)廠房設計要求，風管必須布置在柱內(nèi)，所以不能使用實腹柱，斜腹桿格柱同樣不能滿足設計要求。基于以上幾個方面的考慮，本單層工業(yè)廠房使用空腹鋼柱形式的排架柱，在柱內(nèi)布置風管，可以靈活布置人行走道，方便人員行走，同時也可以滿足本廠房抗震設防方面的要求，提高廠房的抗震性。

從圖1可以看出，本單層鋼結構工業(yè)廠房的縱向長度比較大，為保證平面支撐結構的可靠性，在1/3處設置2道下柱支撐，在下柱支撐和廠房端部設置4道上柱支撐，其中下柱支撐采用H型鋼。空腹鋼柱設計使用年限為50年，安全等級一級，鋼材選用Q345B，重要性系數(shù)選取1.1，截面為H350cm×450cm×15cm×29/26cm。

2.3承載力試驗

目前雖然空腹鋼柱在單層鋼結構工業(yè)廠房建筑結構設計中比較推崇，但是它的應用剛剛起步，現(xiàn)行設計規(guī)范中沒有涉及構造等方面要求，所以需要利用有限元計算方法進行承載力試驗，確保空腹鋼柱在單層工業(yè)廠房結構應用中的可靠性。首先，按照1：4比例制作單層工業(yè)廠房和空腹鋼柱等構件模型，然后按照各種荷載工況進行相關的有限元計算，驗證空腹鋼柱的承載力。

實際工作中會遇到各種各樣的荷載工況，由于同時出現(xiàn)豎向荷載、水平荷載超載的可能性較低，所以這里不考慮這一種荷載工況，只考慮豎向荷載、水平荷載及低周反復荷載三種荷載工況。

第一種為豎向荷載：經(jīng)過豎向極限荷載計算，本單層工業(yè)廠房結構豎向的安全荷載系數(shù)是6.04，如果算上吊車和屋面的荷載，豎向的安全荷載系數(shù)為6.07，空腹鋼柱是安全的；第二種為水平荷載：經(jīng)過水平極限荷載計算，本單層工業(yè)廠房鋼柱水平荷載的安全系數(shù)為3.56。如果持續(xù)增加水平荷載，柱肢和橫梁連接處節(jié)點先進入屈服狀態(tài)，之后擴大至橫梁，最后才蔓延至鋼柱，與“強柱弱梁”結構設計原則相符，可以保護空腹鋼柱相對安全；第三種為低周反復荷載：在低周反復荷載情況下，空腹鋼柱前期抗側(cè)剛度沒有明顯變化，但是后期變化明顯，整個鋼柱抗側(cè)性將有明顯下降。經(jīng)過對低周反復荷載計算，極限承載力為400kN。

經(jīng)過以上三種荷載工況試驗，證明空腹鋼柱是安全的，具有較高的承載能力，可以應用于單層鋼結構工業(yè)廠房結構。

結論：

綜上所述，空腹鋼柱與實腹柱、斜腹桿格柱等鋼柱構件相比，它的特點是明顯的，在單層鋼結構工業(yè)廠房中的應用有著良好效果。一方面，可以在空腹鋼柱內(nèi)布置風道，靈活布置人行走道，另一方面可以提高單層工業(yè)廠房的抗震性，具備良好的應用效果。由于空腹鋼柱應用剛剛起步，實際應用中要求技術人員進行科學的荷載有限元計算，對空腹鋼柱的承載力進行試驗，只有經(jīng)過各種荷載工況試驗才能保證單層工業(yè)廠房結構安全可靠。所以，空腹鋼柱在單層工業(yè)廠房中應用使必須按照要求進行荷載工況試驗。未來工作中，加強對空腹鋼柱設計規(guī)范的研究，使其更好的應用于單層工業(yè)廠房結構設計。

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