摘 要：眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)有著構(gòu)件截面小、建筑空間利用率高、自重輕、抗震性能好以及基礎(chǔ)造價(jià)低等顯著優(yōu)勢，并且對(duì)環(huán)境的破壞小、 材料回收利用率高， 屬于綠色節(jié)能建筑，因此有著廣泛的應(yīng)用前景。本文首先闡述多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)原則，然后分析其一般設(shè)計(jì)流程，最后提出實(shí)例加以說明。
關(guān)鍵詞： 多層鋼結(jié)構(gòu)； 工業(yè)廠房； 設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：
1. 設(shè)計(jì)原則
多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)需要遵循以下幾個(gè)原則：
第一，建筑與結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì)。多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物設(shè)計(jì)不同，后者遵循先建筑后結(jié)構(gòu)的原則，而前者則采用特殊的材料并結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，以實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)兩方面的同步完成，即建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，其優(yōu)勝之處是可以將建筑風(fēng)格更完整的展現(xiàn)出來。比如，能體現(xiàn)建筑立面風(fēng)格的圍護(hù)系統(tǒng)可適當(dāng)參與主體結(jié)構(gòu)的空間性能計(jì)算，并與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。
第二，優(yōu)化截面設(shè)計(jì)。在確定截面時(shí)優(yōu)先選擇翼緣或腹板厚度較小的截面，因?yàn)樵谟娩摿肯嗤臈l件下，厚度越小則截面的形狀尺寸會(huì)越大，其整體剛度也越大。此時(shí)需注意滿足相關(guān)規(guī)范中關(guān)于翼緣或腹板最小寬厚比、最小截面的問題。
采用螺栓連接時(shí)要注意螺栓最大直徑的選擇。
第三，為了備料方便，設(shè)計(jì)中選用的型鋼品種、規(guī)格最好控制在五種以內(nèi)，當(dāng)兩種規(guī)格的尺寸接近時(shí)，盡量代用統(tǒng)一規(guī)格。
2. 設(shè)計(jì)的一般流程
2.1選用結(jié)構(gòu)體系
目前，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房在設(shè)計(jì)上常用的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種：第一，純框架體系。即結(jié)構(gòu)上無需設(shè)置柱間支撐，縱橫兩個(gè)方向均設(shè)計(jì)為剛接框架。第二，框架—支撐體系。將結(jié)構(gòu)的橫向設(shè)計(jì)為剛接框架，縱向則設(shè)計(jì)為柱—支撐體系，通過柱間支撐將縱向水平荷載傳遞至基礎(chǔ)。第三，剛架與支撐的混合體系。該體系的結(jié)構(gòu)橫向仍然為剛接框架，縱向則為剛架與支撐混合的形式，二者共同作用以抵抗水平力。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況，如建筑外形、荷載條件等選用結(jié)構(gòu)體系。
2.2布置柱網(wǎng)與支撐體系
柱網(wǎng)的布置首先應(yīng)符合生產(chǎn)工藝、建筑功能及正常使用這三項(xiàng)基本要求，在此基礎(chǔ)上，力求使方案滿足建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的經(jīng)濟(jì)性與合理性。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，還會(huì)綜合考慮諸如建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化、采用先進(jìn)的施工方法、適應(yīng)工廠的生產(chǎn)發(fā)展與未來的技術(shù)革新等因素，使布置方案更具“人性化”。
支撐體系在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是必不可少的部分。按布置方式可分為豎向支撐、水平支撐和斜向支撐，柱間支撐屬于豎向支撐。在柱間支撐中，中心支撐與偏心支撐是兩種主要的形式。通常多層鋼結(jié)構(gòu)廠房較多采用中心支撐，如“X”型、“V”型或“∧”型，抗震設(shè)防時(shí)則不應(yīng)采用“K”型中心支撐。當(dāng)廠房處于強(qiáng)震區(qū)域時(shí)，采用偏心支撐能在支撐與柱之間或在支撐與支撐之間形成耗能梁段，這種支撐形式的延性與耗能能力相對(duì)更好。支撐體系是結(jié)構(gòu)重要的抗側(cè)力體系，設(shè)計(jì)上必需引起重視。
2.3樓蓋布置
樓蓋的類型包括壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板、裝配整體式預(yù)制鋼筋混凝土樓板、裝配式預(yù)制鋼筋混凝土樓板以及普通的現(xiàn)澆混凝土樓板等。每種形式的樓板有其自身的特點(diǎn)，比如組合樓板或樓承板整體剛度好，但成本較高，而裝配整體式預(yù)制鋼筋混凝土樓板的施工效率高。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房而言，壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板比較適用�！�
2.4設(shè)置變形縫
變形縫主要有伸縮縫、沉降縫以及防震縫三種。各種縫盡量綜合起來，做到“一縫多用”。以伸縮縫為例，如果廠房的長寬尺寸過大，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)體系會(huì)由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生不可忽略的溫度應(yīng)力，該應(yīng)力甚至能拉裂墻面板、屋面板和工藝管道。若合理地設(shè)置伸縮縫，可將廠房分為數(shù)個(gè)溫度區(qū)段，一旦發(fā)生溫度變化，上部結(jié)構(gòu)將沿著相應(yīng)方向自由變形，從而有效釋放溫度應(yīng)力，避免對(duì)建筑或結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生不利影響。設(shè)置伸縮縫要從基礎(chǔ)頂面做起，把上部結(jié)構(gòu)徹底分開，預(yù)留相應(yīng)寬度的縫隙，并用柔性防水材料封蓋。
3. 結(jié)構(gòu)內(nèi)力電算分析要注意的問題
隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已開發(fā)出許多實(shí)用、高效、精確的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。利用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。
第一，網(wǎng)格生成的平面簡化。對(duì)于網(wǎng)格布置比較復(fù)雜的工業(yè)廠房而言，如果完全根據(jù)實(shí)際情況利用軟件建模，則會(huì)產(chǎn)生大量的近節(jié)點(diǎn)，從而影響計(jì)算效率和結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，因此在與實(shí)際情況出入不大的前提下采取相應(yīng)的簡化手段來建立合適的模型。
第二，柱間支撐并不是簡單的構(gòu)造措施，在軟件分析時(shí)其屬于一種受力桿件，并且廠房縱向周期與水平位移均受支撐剛度的直接影響。如果結(jié)構(gòu)中設(shè)有柱間支撐，但卻采用純框架模型分析，則無法保證地震力評(píng)估的準(zhǔn)確性。另外，純框架模型的側(cè)移相對(duì)較大，由此算得的柱用鋼量有可能會(huì)大于有支撐的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型所得結(jié)果。
第三，通常工業(yè)廠房都有較大的樓板開洞，樓板和鋼梁間的約束相對(duì)較弱，建模時(shí)可設(shè)定為彈性樓板。
第四，鋼梁的抗扭模量比較小，在軟件分析過程中，鋼梁平面外的彎扭失穩(wěn)將成為整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的決定因素，采用鉸接的方式設(shè)計(jì)主次梁節(jié)點(diǎn)，可避免出現(xiàn)鋼梁整體失穩(wěn)的現(xiàn)象。
4. 工程設(shè)計(jì)實(shí)例
某工程為多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，總建筑面積約4000m2，首層高4.4m，二層標(biāo)高 12m，局部兩層為7m 與16m，局部一層為 10.5m，夾層層高4.5m，建筑總高度22.2m。為滿足生產(chǎn)設(shè)備的承重要求，廠房四周設(shè)置4根箱形柱，柱距縱向5-11m，橫向4-15m；為節(jié)約建設(shè)成本，箱形柱12m以上采用工字型截面柱，其余框架柱也為工字型柱。屋面采用薄壁C型鋼檁條，墻面外掛夾芯板；為降低成本，樓面采用普通現(xiàn)澆混凝土樓板。
具體設(shè)計(jì)過程如下：首先進(jìn)行荷載計(jì)算，該廠房所處環(huán)境的基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，地震烈度7度，地震加速度 0.1g，阻尼比 0.35，限于篇幅，此處略去計(jì)算過程。接下來確定荷載工況，該工程要將 X 方向的地震力作用與風(fēng)力作用、Y 方向地震力作用與風(fēng)力作用、以及恒載作用與活載作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力考慮進(jìn)來。利用STS空間建模，Satwe 軟件完成框架桿件的強(qiáng)度和穩(wěn)定、自振周期和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度等計(jì)算。
對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，結(jié)構(gòu)水平方向的主要振型沒有明顯的突變，說明結(jié)構(gòu)沿高度方向的質(zhì)量與剛度的分布是合理的。除了受主要設(shè)備集中力作用的8根柱子采用箱形截面外，其余框架柱、梁均采用焊接工字形截面，柱間支撐為雙槽鋼中心支撐。計(jì)算分析表明，各種梁、柱設(shè)計(jì)應(yīng)力均控制在規(guī)范允許設(shè)計(jì)限值的 90%以內(nèi)，構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及各類節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算均符合規(guī)范要求。
5. 結(jié) 語
近年，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，多層鋼結(jié)構(gòu)廠房以其自重輕、用鋼量少、抗震性能好、施工速度快等特點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用，具備相當(dāng)?shù)母偁幜Α１疚目偨Y(jié)了多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的一些設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，拋磚引玉，為今后類似工程的推廣與應(yīng)用提供有益的經(jīng)驗(yàn)。
參 考 文 獻(xiàn)：
[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版），中國建筑工業(yè)出版社，2004
[2] 張海玲，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)問題分析，《科技致富向?qū)А罚?011(9)
[3] 張興玉，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)與實(shí)例，《科技與生活》，2010（9）
