单层厂房钢结构设计

【摘要】本文主要对我国钢铁工业中的单层厂房在钢结构

设计上的经验做了一个简单分析。并且提出了进行厂房钢

结构设计时应该注意的问题。全文特别提出应在设计中着

重提高综合性经济效果的概念，并做了一些比较具体的分

析和比较。与此同时，还提出了一些在已往的设计工作中

容易被忽视的问题。最后，又针对这些问题提出了一些新

的见解。

【关键词】钢铁工业厂房钢结构设计经济效果

IAbstract】This paper mainly does a simple analysis ofthe experience

in steel structure design of the iron an d steel industry

in China single-layer workshop And put forward that should

be paid attention to workshop steel stm cmre design problems

The paper putsforw ardthe concept offocusing onimproving

the comprehensive economic effect in the design ，and does

some analysis an d comparison of specific and comparison．At

the same time，also put forw ard some easily overlooked in the

design work of the past in question．Finally,it aimed at these

problems and puts forw ard some new ideas

IKeywords1 iron and steel industry,steel structure，design ，ec—

onomic efrect

根据生产工艺的具体要求，在钢铁工业中实际

应运的主要车间一般情况下都是单层的，这些车间

的跨度比较大、柱子又很高，又因为高温的影响，

所以大多数的设计类型都属于钢结构。主要的代表

有07年的武钢和近几年的上海宝钢，它们的车间都

是单层的钢结构。钢结构和钢筋混凝土相比，具有

十分显著的优势。钢结构符合现代快速建设的要求，

可以在一定的程度上减少工程施工量。因此，在现

代钢铁工业中，大多厂家都愿意选用钢结构，一房。

下文对这种类型的厂房的特点和设计问题进行了分

析。

一

、 单层厂房钢结构所具有的特点

单层厂房的钢结构具有以下几个特点。第一，

单层厂房钢结构的维护结构具有比较轻的特点，大

多数采用的是彩色的压型钢板或者是铝合金压型

板。第二，一般情况下，单层厂房在面积上要大于

或者等于lO万cm。。同时这样的厂房都具有较大跨

距、一定高度的空间以及很高的发热量。总体而言，

这种类型的厂房在结构构件上要趋于大型化一些。

第三、单层厂房钢结构的柱距在一般情况下应该为

l2 15或者是12 m以上，这样的柱距才与经济柱距的

要求相符合。合适的柱距有利于在后期进行工艺技

术方面的改进。第四，在现在的单层厂房建设中已

经开始使用从外国引进的轧制H还有T型钢等材料。

具体代表就是上海的宝钢，它们使用这些引进钢材

的比率已经达到了50％左右。第五，单层厂房钢结

构主要采用焊接连接的方式，当然在厂房所在地的

现场要根据具体的情况，或者采用强度比较大的螺

栓或者采用焊接。在宝钢厂房建设中，平均每吨的

钢结构大约需要2O个强度较高的螺栓。

单层厂房钢结构所具有的这些特点会在一定的

程度上给实际的厂房建设活动带来一些新的问题。

二、柱距经济性问题

在过去，我国多采用钢筋混凝土的大型板作为

工业厂房中的围护结构。因此建筑的模数以及基本

的柱距都是6m。如果使用轻型的围护结构就会使整

个厂房失去它的经济性。日本在对厂房结构进行了

一定时期的分析以后得出结论：i5 in才是最适合的

经济性柱距。而西德的相关研究人员得出的结论是：

15~20m 是最合适的柱距。如果与宝钢的具体实际

相结合进行分析应该得出的结论是25 m最合适。在

研究柱距经济性的时候除了要考虑钢材的消耗量还

应该考虑其它的施工因素以及对轧制型钢的使用是

否合理。一定要严格按照工厂依据尺寸定制的钢材

来设计所需的构件。此外要适当照顾一下吊车的运

行要求，尽量保持柱距的统一性。同一个跨内两侧

相互对应的吊车梁在跨度上要保持一致。

三、处理好屋盖的结构体系

1．屋面材料的选取

选取先进的压型板，使屋面的坡度在I／i0与

1／20之间。宝钢的厂房建筑用的是W550型的彩色

压制钢板跟铝合金压制板。单层的屋面长度最大值

是87 m，长尺板型为30Ill，中间有两条搭缝，而且

在搭缝处没有出现渗漏问题。铝合金压型板的寿命

能超过20年，并且这种压型板70％可以被回收再利

用。这种压型板也有自身的缺点：刚度比较差、施

工过程中容易变形、容易发生渗漏等。

2． 天窗型式的设计

单层厂房必须设有天窗，天窗型式有纵向和横

向两种。一般情况下，如果车间的热量过大，需要

对其进行大量排热时就应该选择横向的天窗。要注

意下沉式的横向天窗，这类天窗的结构比较复杂，

比较适合屋架间距为12m的厂房。纵向天窗的构造

比较简单，但是需要对其设置天窗架，这样一来它

的受风面积会增大，柱脚的弯矩也会增大。上承式

横向天窗的天窗架太大，因此它的耗钢量也很大，

不过受风面积比纵向天窗的小。

四、柱子系统

柱子与厂房骨架的各个主要的构件相连接，它

们的关系十分复杂。同时整个厂房建筑的面积和横

向的刚度与柱截面的高度密切相关。所以柱子设计

得是不是合理关系到整个厂房建筑的合理与否。在

进行』一房建设的过程中我们应该注意以下几个问

题。

1．正确地分析排架同时选取合适的柱截面

在对排架的计算图进行确定时，一定要考虑排

架的沉降量，明确它的跨数还有厂房的刚度以及具

体的施工要求等。在过去，我国多应用钢接排架，

45

并且上段柱和下段柱在延刚度上的比值偏大，这样

的设计有利于下段柱减少弯矩。下段柱的截面高度

比较小，厂房面积应该做相应的调整。柱截面积翼

缘厚度一般情况下在16~30 m 之间，腹板厚度在

12～2O mill之间。大型厂房的柱肢翼缘已经达到了

50 mm。

2．确定厂房的横向刚度值

根据我国厂房建设的规范要求，房柱在标高处

的水平位移有具体的限值。在西方国家的厂房建设

中并未对其做任何规定，各设计部门是凭借设计经

验来确定刚度值的，所以在最后的设计结果上会有

一些差异。

五、墙皮系统

在进行大型厂房结构的设计中，要注意将结构

设计为独立的系统。这样做可以使整个构造简单化，

避免柱间支撑和水落管等组成部件的相互碰撞。

钢铁工厂的厂房下部由于通风和出入口等原

因，通常需要全部或者是局部的敞开，在这种情况

下。吊挂式的墙皮是最合适的。

六、支撑系统

这里所说的支撑系统是指钢结构厂房的屋盖支

撑以及它的柱间支撑。它所具有的作用主要表现在

以下几个方面。

(1)可以保证厂房钢结构在安装和使用中的整

体稳定性，让每一个相对独立的建筑物构成一个比

较稳定的空间体系。

(2)可以提高整个结构的刚度，形成厂房骨架

空间。

(3)可以承担并且传递水平力，使其传达到柱

基处。

(4)避免压杆产生侧向失稳，阻止压杆发生过

大的震动。

对大型厂房进行设计的原则是：(1)应该将屋

盖系统在水平上的支撑设计成封闭型；(2)房柱之

间的距离越大，整个支撑体系的刚度也应该有所提

高；(3)支撑的传力途径应该明确简短而又具有可

靠性；(4)杆件自身的刚度应该随着吊车的工作量

的加大而有所增加；(5)在地震区域要加强支撑布

置，特别要注意屋架的水平支撑以及柱间支撑，同

时要加强节点的连接强度。

七、厂房钢铁结构的实际工作

一般情况下，设计师在进行设计计算时，不会

太注意各个结构之间的相互协调。此外，预算与实

际结果往往有太大的出入。在实际情况中我们常常

会遇到以下问题。

(1)在对排架进行分析时，要注意柱顶的水平

剪力和天窗架的低脚剪力，它们会对屋架杆件的内

力产生一定的影响。

(2)要注意吊车轮产生的偏压作用。

(下转第46页)

浅析建筑结构的超限抗震设计

Analysis of the Transfinite Seismic Design of Building Structure

■ 何文波■ He Wenbo

【摘要】本文主要结合建筑工程实例，分析了该工程的建筑

场地类别。并结合地质勘查部门给出的相关建议，科学分

析了该工程的超限设计情况，提出了相应的抗震措施。

【关键词】建筑工程场地超限抗震措施

【Abstract】In this article，the author combines with the construction

engineering instance，scientific analysis the classification

ofthe constmction site and the design ofthe transfinite CO．

mbines wi th the relevant recommendations given by the geological

survey department，an d put forward the corresponding se—

ismic meshes

【Keywordsl construction engineering，site，overrun，seismic，

m eas1ire

一

、工程概况

“宏益公司彭家湾地区危旧房改造工程B期l1

号楼”工程，为宏益公司投资兴建，贵州筑城建筑

设有限公司设计。拟建场地位于贵阳市花果园彭家

湾片区，交通便利。一期为新建工程，B区11号楼

为一1+3+43层。±0．000绝对标高(1070．80M)，地

下室地板标高(1 065．60 M)，地下室层高5200 mm。

一层层高3 500 mm，二层层高4 700 mm，三层层高

6 100 toni，上部标准层层高2 900 mm。结构总高度

139．8 In。拟建工程为钢筋混凝土部分框支剪力墙结

构型式，拟采用基础形式为桩基础和筏板基础。

二、建筑场地类别

根据贵阳市建筑勘察设计院提供的本工程岩土

工程勘察报告，场地上层覆盖层厚度为0．5～6．2 m，

平均厚度为3．5m。根据剪切波速Vs=595m／s，因而

判定建筑场地类别为II类。根据设计地震分组和

场地类别，确定地震作用计算所用的设计特征周期

为0．35 S。

三、结构超限情况

1．主楼建筑平面凹进尺寸为13．6m，约为主楼

平面总宽度的13．6／31．2：43．6％，故属平面凹凸不

规则。

2．局部楼层在考虑偶然偏心时的扭转位移为

1．21～ 1．27；Tt／TI=O．82<0．85属于扭转不规则。

3．在地面3层转换，竖向构件不连续，竖向不

规则。

四、超限性能设计目标

根据本工程的抗震设防类别、设防烈度、场地

条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失及修复

难易程度存在的超限类型、部位及超限程度等因素，

在与业主充分沟通后，确定本工程的结构抗震性能

目标为C级，结构抗震性能水准等如表1。

表1结构抗震性能水准表

多遇地 设防烈 罕遇地

震 度地震

结构宏观损坏程度 完好、 轻度损 中度损

无损坏 坏 坏

结构抗震性能水准 1 3 4

层间位移角限值 l／l 000 1／500 1／250

框支柱 弹性 弹性 不屈服

关键构 转换梁 弹性 弹性 不屈服

件 底部抗

震墙 弹性 弹性 不屈服

普通竖 部分屈

向 非底部 服，要

抗震墙 弹性 不屈服

构件 控制剪

压比

连梁 弹性 受剪不 延性损

耗能构 屈服 坏

件 框架 受剪不 延性损

粱、次 弹性 屈服 坏

梁

五、主要抗震措施简述

1．针对结构的凹凸不规则和扭转不规则，在进

行结构整体分析时，分别进行双向地震作用和考虑

偶然偏心的单向地震作用计算。

2．针对转换层位置在地面以上三层，提高框支

柱和底部加强部位剪力墙的抗震等级至特一级。

3．为保证框支柱及落地剪力墙的承载力和延

性，严格控制框支柱、落地剪力墙的轴压比，分别

不大于0．6和0．5。

4．严格控制转换层上下楼层的等效刚度比。在

满足上部结构位移要求的情况下，对上部墙体进行

减薄及开洞， 以削弱上部楼层刚度。加厚底部落地

剪力墙厚度，以满足转换层上部结构和下部结构刚

度比的要求。

5．按{JGJ3—20109第i0．2．17条要求，当框

支层为3层及3层以上时，每层框支柱承受剪力之

和应至少取结构基底剪力的30％。

6．适当加厚转换层以上3层剪力墙厚度，并设

置约束边缘构件，约束边缘构件内钢筋向延伸一层。

经与建筑专业协商，紧邻转换层上方的标准层内，

尽可能做到框支柱可以延伸至本层，或至少在框支

柱范围内要保证有剪力墙。框支柱内部分钢筋可延

伸至本层，在约束边缘构件层和构造边缘构件层之

间设置2层过渡层。

7．适当增强主楼2、3、4层楼面板及屋面板的

配筋或增加板厚，并对这些楼层的楼板做中震弹性

应力分析。

8．采用两个符合结构实际受力状态的空间力

学模型(SATWE、及PMSAP等软件)进行整体计算分

析比较，需要考虑主楼平面凹凸不规则等因素对楼

板平面内实际刚度变化的影响。

9．采用弹性时程分析法对结构做补充计算。

10．对结构进行罕遇地震作用下的静力弹塑性

分析，求出结构性能点，得到性能点的位移和变形。

把握结构塑性铰形成的顺序、结构的薄弱部位等。

六、结语

贵阳花果园后街彭家湾危旧房棚户区改造项目

B北区11号楼，虽然属于超限高层建筑，但通过转

换构件及其薄弱部位并采取相应有效的加强措施，

结构未形成明显的薄弱层，两种程序的计算结果基

本一致。

经计算分析，结构具有良好的抗震性能。本工

程结构的抗震设防总体上达到性能目标c的要求，

计算结果中各项指标均满足现行规范和规程的要

求。目前的结构设计方案是可行的、安全的。

在后续的施工图设计阶段，将对本工程结构设

计采取进一步的优化和抗震加强措施。并将分别针

对关键构件、普通竖向构件和耗能构件，有区别的

采用多遇地震作用下的内力、中震和大震作用下的

内力分别进行截面设计，最后取配筋的大值。

参考文献

[1]GB50009—2001，建筑结构荷载规范[s]，2006．

[2]GB50223—2008，建筑抗震设防分类标准[s]．

[3]GB50068 2001，建筑结构可靠度设计统一标准

[S]．

(作者单位：贵州筑城建筑设计有限公司550001)