钢结构厂房排架结构设计研究

卜娜蕊 刘睿

钢结构厂房具备施工简单、安装快捷等优势，能够批量生产，整体施工周期更短，可减少30%左右的建筑物结构质量，在地基承载力较低等区域具备远超钢筋混凝土结构体系的综合经济优势。同时，钢材本身在强度与性能方面有一定优势，再循环价值可观，无需制模施工，因此钢结构体系属于绿色环保的建筑体系。于孔瑜（2016）在研究中指出现代钢结构工业厂房因其施工速度快、自重轻、抗震性能好、环保等特点在建筑工程中已被广泛认可，在工业厂房设计中逐渐代替了笨重的钢筋混凝土结构而得到了普遍应用[1]。张伏右（2020）以某单层多跨重型钢结构厂房为工程设计实例，对排架柱和吊车梁设计进行了分析。排架柱的设计可采用牛腿面下方缀条格构式的方式满足设计要求。吊车梁的设计应满足高度较大、翼缘稍宽的原则[2]。本文在既有文献的基础上，从钢结构厂房排架这一角度入手，介绍排架结构设计要点及抗震设计要点。

单层厂房中排架结构的应用，横向平面排架的组成包含屋架、柱子等，在结合屋面板、吊车梁等纵向构件后与平面排架连结，便可构成空间结构。排架体系多用于工业厂房、影剧院观众厅或飞机库等高大空旷的单层建筑中，以屋架或大型桁架连接柱顶，并用装配式屋面板加以覆盖[3]。以具体需要为根据，也有个别设计了大型天窗的排架建筑屋顶，或沿纵向进行吊车梁设置的建筑。排架体系具备较高的重心，房屋刚度不大，由于需承受动荷载的缘故，需进行柱间斜支撑、屋盖水平支撑的安装。

2.1 构件设计要点

钢结构厂房排架结构中，构件设计期间需要验算构件的极限强度、稳定性及承载力。首先，验算各构件组合系数、地震作用效应及重力荷载代表值效应等，获取构件内力设计值后，根据现行《建筑抗震设计规范》，以钢结构厂房排架结构为对象，验算各节点及构件的抗震承载力[4]。同时，在设计构件抗震时，需对地震作用下可能有局部失稳现象出现的框架梁与柱的翼缘、腹板等部位或刚度强度可能退化的情况予以高度重视，避免受地震的影响而出现损坏。基于此，在设计节点及构件时，梁、柱板件需以规定限制为依据设计宽厚比。

2.2 屋面设计要点

屋架结构体系存在有檩和无檩的设计方案。前者具备构件用料省、重量轻、安装运输方便等优点，但其构造复杂性较高、屋盖构件数量偏多，且屋盖横向不具备良好的整体刚度。屋架形式设计中，有必要综合考虑屋面坡度、经济指标、天窗形式、施工及柱子连接方式等。在确定檩条形式时，应以实腹构件为主，较大檩距与跨度的情况下，建议采取格构式或空腹式构件。设计檩条时，通常以单跨简支构件为主，实腹式檩条对应的构件多采取连续型。

2.3 节点设计要点

采取增加螺栓或焊缝的方式，能为构造连接强度提供可靠保障。加厚梁柱节点与腹板厚度，或进行斜向、水平加劲肋的增设。节点处采取节点板结合双角钢截面杆件的方式连接，于节点中心汇聚各杆轴线。角钢需保持垂直于其轴线的切断面。

2.4 柱脚设计要点

以柱脚受力分析结果为根据，通常由钢接柱脚和铰接柱脚两类组成。钢接柱脚包含外包式、外露式与埋入式三类。外包式的应用常见于单层厂房、低层框架或高层裙房，设计中可依据钢接或铰接。单层柱底是钢接柱脚主要适用范围之一，抗震构造中涉及较高的要求，超过12层的高层钢结构中多采取埋入式柱脚。轻型工字形柱中，在埋入钢柱脚时需以钢柱截面高度至少两倍的数值控制深度；
大截面箱型截面柱和H型钢柱，高度需保持钢柱截面高度的3倍以上。外包式柱脚中，可在基础梁顶面或地下室墙内直接安置钢柱。

2.5 支撑设计要点

布置支撑时，需要密切结合厂房高度和跨度、厂房柱网布置、吊车起重量及其工作制、屋盖结构形式、屋面材料、有无悬挂起重运输设备、屋架间距、地震设防烈度及有无其他振动设备等情况。屋架纵向支撑的安置中，安置区域多选择排架横梁支座反力的传递平面，与横向支撑相结合的基础上构成封闭型支撑框架，能赋予厂房骨架更强的空间刚度[5]。从垂直支撑布置屋架的原则出发，屋架不超过30m的跨度时，于跨度中部进行一道垂直支撑的设置即可。温度区段中，在安装使用屋架受压弦杆时，为了保证稳定性或促进受拉弦杆长细比的减少，建议从厂房两端屋架出发，沿纵向设置水平系杆至横向支撑桁架节点间。

2.6 厂房纵向刚度计算

本文设计的钢结构厂房中，需要通过计算确定其纵向刚度，即一台最大起重量吊车形成的不考虑动力系数前提下的纵向水平荷载标准值导致吊车梁翼缘顶面标高处柱的纵向位移值，需控制在H/4000以内，其中H表示吊车梁上翼缘顶面与柱脚底面之间间隔的距离。在柱纵向位移计算的过程中，一般情况下可进行下述设定：（1）忽略柱刚度的影响，仅对柱间支撑予以考虑，且考虑对象涵盖其他纵向框架的刚度，同时假设柱与支撑之间引入了铰接的连接节点。（2）十字交叉支撑计算中，通常情况下仅对拉杆工作予以考虑。（3）辅助析架和吊车梁等纵向水平构件存在相对较大的截面时，其轴向变形可能构成的影响可忽略不计。（4）温度区段内，各个柱间支撑负责一同对吊车纵向水平力T承担。

2.7 柱与吊车梁连接

常选择普通螺栓固定连接柱与吊车梁下翼缘，并采取板铰连接的方式连接柱与吊车梁上翼缘，纵向约束效应并不大的板铰连接在重量工作制吊车梁中十分适用，板铰连接能为梁端最大水平反力的传递提供可靠保障。铰板孔径相比栓径而言有+1mm的差距，以精制螺栓要求为依据严格进行加工作业，铰板栓孔受力方向端距必须保持1.5 d以上。本文设计的钢结构厂房中，由于工程吊车具备较大的起重量，增设连接框架柱的垂直隔板于吊车梁的高度中部，引入构造加强的隔板，在计算中可忽略不计。

3.1 总体布置

总体布置中，需要确保厂房结构刚度与质量分布均匀，为厂房提供均匀受力、协调变形的保证，最大限度规避由于不均匀的结构刚度影响抗震的情况。厂房横向结构中，建议采取能够在一定程度上固结屋架和柱的框架或钢架，确保钢结构能够充分发挥自身受力性能，使横向结构变形的情况得到有效规避[6]。钢结构厂房受损的引发原由通常为杆件失稳，而非杆件强度不足，故需要落实支撑系统的合理设计，获取稳定性更高的厂房结构。地震时难免会引起低周疲劳作用，在具体设计中要密切考虑厂房受其影响的程度。构件连接点设计中，要尽量滞缓节点受损时间，且要确保晚于结构构件全截面屈服，并为结构构件支持塑性工作提供保障。

3.2 厂房结构抗震变形控制

地震较强烈时，钢结构厂房排架结构难免会有受损的情况出现，其引发缘由通常是侧向刚度不足，而非强度问题。基于此，在保证抗震性能的基础上展开抗震设计时，理应引入适当的措施对结构层间位移展开控制[7]。例如，在钢结构厂房排架结构设计中，需要做好主厂房高宽比的有效控制，促进主厂房侧向刚度的增强。同时，结合增加支撑数量或加大支撑断面的方式，促进支撑侧向刚度的增强。尽量加厚采用的重型柱的腹板，或加固节点至局部，在一定程度上规避节点区域变形的情况。梁刚度的增加同样可实现梁变形的有效控制，且要规避塑性铰向柱上转移的情况。

3.3 抗震构造措施

一是厂房框架梁、柱板件宽厚比。厂房结构设计中，单层结构设计需参考单层厂房要求；
总高度比规定值更大的多层框架中，超出的部分设计需参照高层钢结构房屋规定，例如以“高钢规”相关条例为依据，24m是高层与多层间的分界线。设计多层框架时，应当参照多层钢结构规定。二是框架梁、柱翼缘。框架梁与柱应力最大区域的翼缘截面禁止随意更改，妥善设置侧向支承，并参照现行《钢结构设计规范》合理控制各支承点的间距。三是拼接框架梁。以高强度螺栓摩擦型拼接框架梁时，通常在内力偏小的部位设置拼接位置，以便与最大应力区避开[8]。为实现更便捷的施工安装，一般情况下在与梁端间隔1m的位置设置拼接位置，并与主次梁拼接处避开。梁翼缘拼接中，高强度螺栓在平行其内力的方向上最低需3排。四是柱间支撑构件。在支撑钢结构厂房多层框架时，应当优选抗震性能显著的形式或十字形交叉的柱间。支撑杆件板件中，需结合《建筑抗震设计规范》合理设计宽厚比。五是主厂房柱脚。钢结构主厂房中，需保证柱脚能实现柱内力的有效传递，并引入外包式、埋入或插入式的柱脚，并参照现行《建筑抗震设计规范》。

4.1 工程概况

某市一小区内的工程，为二层结构，底层层高15m，二层为8.1m的层高，15T桥式吊车位于11m标高处，设置单梁吊车（5T）在垂直楼面的6.0m部位处，屋面设计选择轻钢。两跨，单跨跨度21m，开间7m共计17个。厂房长、宽分别为42m和110m。该厂房屋面从第二个开间起，至倒数第二个开间结束，皆仅需天窗架采光的设计[9]。以现行《建筑抗震设计规范》为参照，结合该地区7°的抗震设防烈度，设计地震加速度值为0.10g即可。房屋为丙类的抗震设防。参照《建筑抗震设计规范》，确定该厂房抗震等级为四。在确保工艺要求得到充分满足，并突出安全性与可靠性的基础上，合理进行力学参数控制指标的制定，详情如表1所示。

表1 力学参数控制指标

4.2 结构选型

该工程二楼楼面涉及相对较大的荷载，因此选择组合楼板，并引入轻钢屋面和框架结构的底层设计，选择排架结构设计二楼。综合各方面因素，厂房结构最终确定为上下部分别为排架与框架的形式。两个方向跨度有着较大差别，故刚度差别较为显著，所以选择框架+支撑结构的框架[10]。现行《建筑抗震设计规范》中提出抗震等级四级且在50m高度以内的钢结构建议选择中心支撑，中心支撑以交叉的框架形式为主，支撑轴线需要交汇两主构件轴线交点。房屋共计119m的长度，由于小于120m但大于60m，因此选择两道支撑进行底层框架的设置。保证支撑布置的均匀性，并在第5、第13个开间处进行布置，支撑选择H型钢。二层排架结构设置中，以现行《抗震规范》为根据，应在同一柱间上下贯通的前提下进行支撑的布置，故同样在第5、第13个开间处沿底层布置部位进行二层排架支撑的设置，选择L型角钢的支撑。因设置了天窗架的缘故，为实现天窗架荷载的有效传递，于开间第1和第17的部位进行屋面竖向、水平支撑的设置。如图1所示。

图1 层间梁顶标高平面内水平支撑结构

4.3 柱截面选型

结构涉及较大的跨度，即21m，底层为15m的层高，开间为7m，存在相对较大的荷载比，如果选择“工”字形钢焊接，长细比要求难以得到满足，基于此，建议选择“十”字钢柱的焊接。二层为8.1m的层高，为轻钢屋面，荷载比偏小，且存在方向一致的受力，因此选择“工”字钢焊接。

4.4 节点设计

框架部分引入STAWE展开计算，连接STS接口，同时围绕全楼展开连接节点的设计。工字形梁连接十字形柱时选择钢柱与悬臂梁端刚性连接的连接类型。梁柱与悬臂段连接中，引入全焊接方式，现场梁拼接时以翼缘焊接腹板螺栓方式进行[11]。为减少材料耗费，与跨度较大的框架梁相比，柱截面翼缘厚度需尽量减小，由此可能引起不乐观的悬臂梁与钢柱连接计算结果。

如以梁柱连接为对象，参照抗震规范计算其极限承载力：Mu=487.664＞1.3Mp=473.311满足。增大盖板需求的厚度Tgb=6，梁翼缘厚与盖板厚总计比柱翼缘厚更大，与设计要求相符合。

本文简单介绍钢结构厂房排架结构设计要点和抗震设计要点。从结构整体出发，依次明确构件、屋面、节点、柱脚及支撑的设计要点，同时计算厂房纵向刚度，阐明柱与吊车梁的连接，设计出的结构符合标准。同时，从总体布置入手阐明结构抗震性能设计要点并明确结构抗震变形控制与抗震构造细节，最后引入实例展开了设计分析。经验证后确定，本文设计的结构整体与现行《建筑抗震设计规范》相关条例要求相符合。

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