多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)概論

曹宇星

（江蘇中建工程設(shè)計(jì)研究院有限公司南通分公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

最近幾年，鋼結(jié)構(gòu)因其工廠預(yù)制率高、施工周期短、抗震性能好和受荷能力強(qiáng)等特性，在各行業(yè)領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就建立完整的設(shè)計(jì)理念，將鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特性充分發(fā)揮，滿足工業(yè)廠房的各項(xiàng)需求。另外，在多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要遵循設(shè)計(jì)的理念，同時(shí)結(jié)合以往成功工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，尤其是要做好設(shè)計(jì)過程中的要點(diǎn)把控。

1 鋼結(jié)構(gòu)多層廠房的特點(diǎn)

和普通的民用鋼結(jié)構(gòu)相比較，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房有很大的優(yōu)勢，其中有：第一，針對多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，可以滿足生產(chǎn)設(shè)備的布置和原材料的堆放以及其他生產(chǎn)功能的基本要求，荷載承受能力一般可以達(dá)到2.5～20kN/m2的范圍，相比普通的多層民用鋼結(jié)構(gòu)承受能力提高很大。第二，在鋼結(jié)構(gòu)廠房中，經(jīng)常會(huì)有集中荷載和懸掛荷載的使用要求，相比普通的多層民用鋼結(jié)構(gòu)受荷情況更復(fù)雜。其中集中荷載主要是設(shè)備在生產(chǎn)過程中的滿載重量以及生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的震動(dòng)荷載；懸掛荷載主要是室內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備、及水、電、風(fēng)、工藝管線等。第三，多層民用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面布置多規(guī)整和對稱，樓板具有平面連續(xù)性。而多層鋼結(jié)構(gòu)廠房因?yàn)樯a(chǎn)工藝的要求，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、樓面錯(cuò)層、樓面開洞等現(xiàn)象。因此，樓面完整性較差，如果有地震的發(fā)生，更容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況。與此同時(shí)，由于樓面錯(cuò)層導(dǎo)致短柱組效應(yīng)的發(fā)生，會(huì)讓水平方向的剪力向著局部柱段作用。第四，和多層民用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房因?yàn)樯a(chǎn)工藝上的特殊要求，層高一般也會(huì)較高，較常見的層高范圍是4～8m，同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)廠房的內(nèi)部空間很大，所以柱網(wǎng)一般也較大，以6～18m 的柱網(wǎng)較為常見。

以上是多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中需要采取多種方法綜合分析才能達(dá)到正常生產(chǎn)和安全可靠的使用要求。

2 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 工程概述

以 A 工程為例，該工程為多層鋼結(jié)構(gòu)服裝廠，建筑面積是5684.64m2，其中建筑最高的高度是23.30m，一層的層高是5.85m（標(biāo)高為-1.850m），二～五層的層高均是3.75m，一層在0.97m 標(biāo)高設(shè)有局部夾層，將局部一層層高分為2.82m 和3.03m。根據(jù)業(yè)主生產(chǎn)工藝的要求，以及工程經(jīng)濟(jì)性和施工周期的比較，該多層鋼結(jié)構(gòu)廠房縱橫兩個(gè)方向的柱距均確定為6.70m，鋼柱采用方鋼管，鋼梁采用成品H型鋼，樓面采用壓型鋼板混凝土樓面，墻面采用成品NALC 外墻豎板。為了合理的承受整個(gè)廠房的荷載，該工程共設(shè)置了30 根鋼柱，基礎(chǔ)也采用柱下樁基承臺(tái)，采用直徑0.6m 長度16.0m 的鉆孔灌注樁。

2.2 設(shè)計(jì)分析和計(jì)算

該工程抗震設(shè)防烈度為6 度，基本地震加速度為0.05g（第二組），場地類別為Ⅲ類，場地特種周期為0.45s。樓面荷載計(jì)算方式如下：第一，縫紉機(jī)。每臺(tái)縫紉機(jī)加工作臺(tái)的荷載是2kN，根據(jù)實(shí)際設(shè)備布置情況可等效為面荷載，作用的位置二～四層樓面。第二，熨燙等設(shè)備參照縫紉機(jī)的受荷情況也可等效為面荷載，作用位置也是在二～四層樓面。第三，空調(diào)風(fēng)管、電纜橋架及消防管線等重量約0.5kN/m，根據(jù)懸掛位置計(jì)算實(shí)際集中荷載大小，屬于懸掛荷載，作用位置各層中平面均有。針對荷載的布置情況和業(yè)主實(shí)際使用要求，該工程采用STS 鋼框架三維建模，采用SATWE 計(jì)算分析。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 抗震性能的重點(diǎn)關(guān)注

無論是單層還是多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)安全始終是要放在第一位的。工業(yè)廠房的安全性方面，最大的威脅因素就是地震。發(fā)生地震時(shí)，廠房如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)更容易造成損壞甚至坍塌。因此，抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。尤其是位于地震頻發(fā)地區(qū)的建筑，在設(shè)計(jì)時(shí)要多參考并結(jié)合以往的成功案例，適當(dāng)提高建筑的抗震性能。

3.2 把控結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)節(jié)

多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)布置采取最合理的計(jì)算方法，廠房的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)才能由此獲得。從安全和經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行科學(xué)分析，要確保原始荷載數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而使得設(shè)計(jì)的成果得到保障。為此，在結(jié)構(gòu)計(jì)算前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要和業(yè)主做好充分溝通交流并達(dá)成共識(shí)，防止在設(shè)計(jì)理念上出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)矛盾，要確保設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量。同時(shí)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用先進(jìn)的科技方法，遇到復(fù)雜結(jié)構(gòu)，更要采用不同的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行復(fù)核，確保設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 合理把控設(shè)計(jì)“四性原則”

“四性原則”在多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要我們設(shè)計(jì)人員始終堅(jiān)持，并合理平衡。“四性原則”主要是指：可靠性、安全性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。許多工業(yè)企業(yè)在多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過程中，往往只看中經(jīng)濟(jì)效益，忽視實(shí)用性和安全性。這就需要我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，通過設(shè)計(jì)過程中的合理把控，在符合國家現(xiàn)行規(guī)范的前提下，將可靠性、安全性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性針對每個(gè)具體項(xiàng)目做好差異和綜合分析，從中尋找出各方都能接受的合理平衡點(diǎn)。

3.4 技術(shù)處理要簡化

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要從建筑材料的選用以及結(jié)構(gòu)體系的確定方面進(jìn)行把控，才能最大程度確保多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房可靠性，并讓其充分發(fā)揮自身的設(shè)計(jì)使用功能。一方面，設(shè)計(jì)成果要能充分發(fā)揮多層鋼結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢；另一方面，針對建筑材料的用量情況要做到科學(xué)、合理。利用全面的分析，讓鋼結(jié)構(gòu)不僅要有支撐的作用，同時(shí)還需要有維持工作的作用。就給多層鋼結(jié)構(gòu)廠房在結(jié)構(gòu)上提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。為此，設(shè)計(jì)人員就需要針對設(shè)計(jì)參數(shù)、使用環(huán)境條件以及使用功能合理分析和選取，同時(shí)要熟練掌握理論知識(shí)，對多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)方案作出綜合的選擇，確保施工能夠正常的開展。

3.5 橫向和縱向設(shè)計(jì)的把關(guān)

橫向和縱向的分析在進(jìn)行多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前就應(yīng)當(dāng)提前做好。橫向設(shè)計(jì)過程中，要重點(diǎn)將多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房使用功能進(jìn)行分析，確保多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房能夠符合企業(yè)生產(chǎn)的多樣性變化。多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的縱向設(shè)計(jì)，主要需要設(shè)計(jì)人員從安全性和穩(wěn)定性角度出發(fā)，把控設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。另外，在進(jìn)行多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮抗震性能和相關(guān)構(gòu)造要求外，更應(yīng)當(dāng)考慮到施工因素的影響，根據(jù)構(gòu)件是在工廠制作還是現(xiàn)場制作，采用不同的設(shè)計(jì)方法，從而確保節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)性能正常發(fā)揮。

3.6 合理設(shè)置變形縫

雖然鋼結(jié)構(gòu)建筑的變形縫設(shè)置限值與混凝土結(jié)構(gòu)相比要寬松很多，但是在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員仍應(yīng)將變形縫的合理設(shè)置重點(diǎn)把關(guān)，防止建筑應(yīng)變形縫的設(shè)置不當(dāng)，而導(dǎo)致質(zhì)量問題的發(fā)生。工業(yè)廠房的規(guī)模一般都比較大，變形縫的設(shè)置不當(dāng)或是施工不當(dāng)，會(huì)對建筑的內(nèi)、外部使用環(huán)境帶來很大影響，比如：濕度、溫度、變形等問題，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備受損甚至工廠停產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中就應(yīng)對對變形縫的設(shè)置合理分析，才能確保工業(yè)廠房的質(zhì)量、安全和正常使用。

4 結(jié)束語

通過以上分析可以看出，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對設(shè)計(jì)要點(diǎn)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行重點(diǎn)把控。尤其是建筑物的抗震性能尤為重要，做為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，我們應(yīng)當(dāng)合理堅(jiān)持四性原則，確保廠房結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。