雙層庫頂層抽柱的鋼框架結構設計研究

薛冠豪

摘 要：本文結合某物流倉庫的工程設計，依據相關規范對此類倉庫結構形式進行了重新定義，從模型建立、參數選取、計算分析、結果判別和構造措施等多方面分析了設計過程中容易遇到的問題，指出目前常規設計方法的誤區和不足，并結合工程實例給出相對簡單、適用的處理方案。

關鍵詞：物流倉庫;鋼框架;抽柱;結構設計

中圖分類號：TU974 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0112-03

Design and Research of Steel Frame Structure with Pillars Drawn

from Top Storage of Double Storage

——A Case Study of a Logistics Warehouse in Dalian

XUE Guanhao

（Henan Fifth Research & Design Corporation of CNNC，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Combining with the engineering design of a logistics warehouse， this paper redefined the structure form of such warehouse according to the relevant specifications， and analysed the problems easily encountered in the design process from the aspects of model establishment， parameter selection， calculation and analysis， result discrimination and construction measures， and pointed out the misunderstandings and shortcomings of the current conventional design methods. In addition， a relatively simple and applicable treatment scheme was given with an engineering example.

Keywords： logistics warehouse;steel frame;drawing column;structural design

物流產業被認為是國民經濟的動脈和基礎產業，其發展程度成為衡量一國現代化程度和綜合國力的重要標志之一。物流產業隨著國民經濟的發展、交通運輸的便捷、信息技術的發達而日益發展[1]。物流業的快速發展對物流倉庫的建設提出了較高要求。近年來，倉儲規模及建筑體量越來越大。為了節約土地資源，越來越多的大型鋼結構倉庫由單層庫改為雙層庫。雙層庫樓面荷載重、屋面荷載輕、屋面跨度大的特點使得頂層抽柱的鋼框架結構在選擇結構體系時更具優勢。本文結合實際工程，以常用的PKPM（STS）軟件為平臺，對此類倉庫的結構設計進行分析，便于設計人員快速、準確地開展工作。

1 工程概況

本工程為大連某物流倉庫。建筑共兩層，長141.5m，寬129.5m，建筑面積38 121.15m2，首層層高11.4m，二層檐口高20.8m。建筑內部主要用于倉儲，內置發貨月臺、貨運電梯、夾層辦公等區域。

2 設計參數

本工程抗震設防烈度7度（0.15g），建筑場地類別II類，地震分組第一組，抗震設防類別為丙類;基本風壓0.65kN/m2（50年一遇），地面粗糙度類別B類;基本雪壓0.45kN/m2（100年一遇），屋面活荷載0.5kN/m2，屋面吊掛恒荷載0.15kN/m2，屋面光伏恒荷載0.15kN/m2，樓面活荷載15kN/m2，地面活荷載45kN/m2。

3 結構布置

本工程為兩層鋼框架結構，首層采用焊接箱形柱，二層采用焊接H形柱。建筑物尺寸過大，溫度應力明顯，沿南北向在建筑物中部設置伸縮縫。在伸縮縫一側布置防火墻，伸縮縫兩側設置雙柱，二層在伸縮縫兩側不抽柱，增強輕鋼屋面整體性。為了便于分析，僅取下側進行計算，下側1、2層柱網布置圖如圖1、圖2所示。

4 結構體系定義

本工程一層樓面鋼框架結構，鋼次梁鋪在樓承板上做鋼筋混凝土非組合樓板;二層鋼柱隔一抽一，形成多跨雙坡大空間屋面，上鋪輕型彩鋼板。

目前，并無規范對底層鋼框架頂層抽柱結構體系進行定義。設計時，一般參照《門式剛架輕型鋼結構房屋技術規程》（CECS 102—2002）（2012版）（以下簡稱《門剛規程》）1.0.2條文說明：當多層建筑的頂層為門式剛架輕型鋼結構房屋時，其設計、制作和安裝過程可參照本規程執行。同時，應根據下部結構的具體情況，考慮其對頂層柱頂的位移影響[2]。但是，在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB 51022—2015）（以下簡稱《門剛規范》）中，上述條文說明已被取消，參照其1.0.2條“本規范適用于房屋高度不大于18m”，及其條文說明“房屋高度不大于18m，高寬比不大于1，主要針對本規范的風荷載體形系數而規定的”，“房屋高度大于18m的類似建筑，構件的強度、穩定性設計可參照本規范”[3]。據此，此類大型物流倉庫按過去定義為“底層框架頂層門剛的鋼結構房屋”似有不妥，而將其定義為“頂層抽柱的鋼框架結構”更為準確。對此類結構體系，建議僅屋面體系可參照《門剛規范》，其余全部構件及其各類指標均要按《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016版）[4]（以下簡稱《抗規）及《鋼結構設計標準規范》（GB 50017—2017）[5]（以下簡稱《鋼標》）執行。

“底層框架頂層門剛的鋼結構房屋”進行設計時主要存在以下問題：①底層按鋼框架、頂層按門剛設計，縱向抗側力傳力體系上下層不同，下層靠鋼框架傳遞側向力，上層靠柱間支撐傳遞側向力;②在抗側力體系不統一的前提下，上層門式鋼架控制柱子位移、變形指標，偏于不安全;③高度已經超出《門剛規范》適用范圍，仍按其風荷載取值，偏于不安全;④由于屋面梁變截面處有節點而無約束，導致局部振動，致使振型參與質量不足，計算失真。

5 結構設計

5.1 模型計算

關于此類工程鋼框架三維建模計算及二維補充計算的相關操作步驟，覃霜的《某保稅物流倉庫底層鋼框架頂層門剛結構設計》[6]一文中已有詳細介紹，此處不做詳述。

5.2 樓面梁腹板高厚比超限問題

本工程樓面荷載重，柱距大，框架梁截面高度高，按常規設計，參照《抗規》表8.3.2，梁高1 250mm時，即使腹板高厚比按最大值[75235/345=61.8]，鋼框梁腹板高度至少需要22mm才能滿足設計要求。據此進行設計，不經濟也不合理。對此，部分設計人員，簡單套用高厚比公式[h0tw]，在腹板高度中心位置沿梁縱向設置加勁肋的方式使[h0]減半，并通過構造使高厚比驗算通過。此種做法，未理解規范鋼梁腹板高厚比限值的意義，既浪費鋼材，又存在安全隱患。

《鋼標》對受彎構件腹板高厚比設置限值，主要是為了防止因高厚比過大導致受壓區局部失穩。將通長縱向加勁肋設置在腹板中心高度即梁截面中和軸附近，對改善腹板的局部穩定不能起到任何作用。據《鋼標》6.3.6條：“縱向加勁肋至腹板計算高度受壓邊緣的距離應為[hc/2.5～hc/2]”及6.3.3條“對于雙軸對稱截面[2hc=h0]”。因此，應將通長縱向加勁肋設置在距受壓翼緣[hc/5～hc/4]內，對次梁可設置在距上翼緣[h0/5～h0/4]處，對框架梁，可采用如圖3所示的先按構造設置橫向加勁肋，再根據彎矩包絡圖，在兩端各1/4處將縱向加勁肋設置在靠近下翼緣處，中間1/2處將縱向加勁肋設置在靠近上翼緣處，并在位置轉換處的橫向加勁肋區格內上下均設縱向加勁肋。

次梁與主梁連接時，需要設置有加勁肋，采用上述方案僅需要單側增加2道橫向加勁肋即可滿足上述構造要求，能大幅度減小鋼梁腹板厚度，降低工程造價。

5.3 屋面梁設計

5.3.1 雙坡屋面三維模型計算失真問題。計算過程中，容易出現以下問題：①振型參與質量不足;②局部振動;③屋面荷載未能有效導算至鋼梁，導致計算結果失真。

三個問題常同時出現，互為關聯。要避免以上問題的出現，需要設計人員透徹理解PKPM軟件的計算假定：①由于軟件PKPM（STS）只能以平面為基準面生成屋面板，不能蒙皮生成屋面板，因此，設計時需要在屋面變坡處增設虛梁;②變截面門式鋼梁交接處，頂面坡度可能未發生改變，但需要在屋面處增設較多節點，而這會使屋面自由度較多，應通過增設系桿、連系梁等方式施加有效約束，確保不因均布振動導致結果失真。

5.3.2 屋面梁撓跨比合理取值。《門剛規范》表3.3.2及《鋼結構設計標準》附錄B表B.1.1規定，當屋面梁“僅支撐壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條”，撓跨比限制為1/180。此類物流倉庫一般規模較大，有較多荷載較小、布置均勻的電纜橋架、消防支管、風扇等設備吊掛于檁條之上，如果直接套用規范，對無吊頂項的鋼梁撓跨比要求將會導致設計偏于不安全。因此，建議對屋面鋼梁按《門剛規范》表3.3.2及《鋼結構設計標準》附錄B表B.1.1中，“尚有吊頂”項撓跨比1/240限值控制。

5.4 屋面檁條設計

本工程柱距10.8m左右，屋面恒荷載（自重+吊掛+光伏）約0.6kN/m2，雪荷載0.45kN/m2（100年一遇），活荷載（計算檁條）0.45kN/m2，風荷載0.65kN/m2（50年一遇）。

設計時：①對于大型屋面，屋面板一般采用直立鎖邊連接方式，據《門剛規范》11.1.6條，不滿足“屋面板能阻止檁條上翼緣受壓側向失穩”;②屋面采用單層彩鋼板加保溫棉形式，無內襯板，據《門剛規范》9.1.5.3條，此時不滿足“構造保證風吸力下翼緣受壓穩定性”。因此，圖紙應注明屋面板與檁條的連接方式，以防設計深度不夠，遺留安全隱患。

6 結論及展望

在大型鋼結構物流倉庫的設計中：①在鋼框梁上下翼緣附近交叉設置縱向加勁肋能有效解決腹板高厚比超限問題;②確保屋面變截面處鋼梁節點的約束能有效解決計算參與質量不足、局部振動等問題;③屋面連續檁條計算需要準確理解屋面形式與軟件相關勾選項的關系，否則容易導致設計偏于不安全;④適當減小多塔時“風荷載體型系數”且不勾選“考慮順風風振”，可有效改善風荷載作用下位移角指標。

參考文獻：

[1]劉也，趙伯友，周青.門式剛架輕鋼結構在物流廠房中的應用[C]//全國現代結構工程學術研討會.2014.

[2]中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程：CECS 102—2002（2012年版）[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范：GB 51022—2015[S].北京：中國建筑出版社，2015.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范：GB 50011-2010（2016版）[S].北京：中國建筑出版社，2016.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.鋼結構設計標準規范：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑出版社，2017.

[6]覃霜.某保稅物流倉庫底層鋼框架頂層門剛結構設計[J].施工技術，2016（增刊）：673-675.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑出版社，2012.