某钢结构重型工业厂房结构方案设计_钢结构厂房设计方案
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某钢结构重型工业厂房结构方案设计 来源： 作者： 时间：2008-11-23 点击：
摘要：从结构形式的比较、结构平面布置及计算模型的选择等方面，对某钢结构重型工业厂房介绍其方案设计的过程，说明方案设计在整个设计过程中的重要地位。一些具体的处理方法可供工程设计人员参考。
关键词：钢结构；重型工业厂房；方案设计；结构形式；结构平面布置；计算模型
随着我国经济建设不断发展，对钢结构重型工业厂房的使用要求越来越高，重型工业厂房在高代写论文度、跨度、柱距、平面尺度、吊车吨位等方面有着不断加大的趋势。因此，结构的方案设计在整个设计过程中的重要性越来越显著。本文通过工程实例，介绍了某钢结构重型工业厂房结构方案设计的具体过程，希望为同类工程提供有益的参考。
1工程概况上海港口机械制造厂长兴岛制造基地工程位于上海市长兴岛，金构车间是该工程土建项目中规模最大的一项重型工业厂房建筑。其占地面积约11万m2，厂房纵向长度为358 m，横向长度为322 m。檐口高度从29.5~41.5 m，配备10~160 t的双层桥式吊车。厂房主体结构采用钢结构，屋面采用钢网架系统，基础采用独立承台桩基础，柱间距一般为12 m，横向共分为8跨，跨度为40 m或42 m。金构车间的平面及横向剖面图分别见图1和图2。该厂房平面尺度较大、檐口位置较高，每跨高度不等，厂房内工艺要求复杂，多种吊车纵横交错，在结构设计中存在较大的难度，而结构方案的确定对整个结构设计起着决定性的影响。本文从结构形式、结构平面布置、计算模型3个方面对该厂房的结构方案设计进行阐述。
2结构方案设计主要内容2.1结构形式根据金构车间的建筑特点和业主对施工进度收稿日期：2008-08-26作者简介：周瑞（1978—），男，工程师，从事建筑结构设计。水运工程2008年的要求，设计人员考虑该厂房采用全钢结构设计。在设计初期，从2个方面对结构形式进行了比选。2.1.1排架柱截面形式的确定对于排架柱，采用格构式是比较成熟的形式，而格构式柱的单肢又可以采用实腹式或者钢管式。钢管式柱肢的稳定性较好，内部可以填灌砼从而大大增加柱的刚度，在建筑上也较美观；但也有它的缺点，就是灌芯砼浇筑比较麻烦，养护时间较长，钢管节点之间的处理也有一定难度。在业主要求的以缩短建设工期为首要目标的前提下，同时考虑到长兴岛上商品砼供应不足，设计人员决定柱肢采用实腹式H型截面，两肢间采用角钢缀条连接。截面形式见图3。2.1.2屋面结构选型在屋面结构选型方面，设计人员最初提出了实腹钢梁、管桁架和钢网架3种方案。鉴于本工程屋面单跨跨度为40~42 m，柱距12 m（其中一个柱距达到26 m），考虑大跨度时采用实腹钢梁的经济性较差[1]，同时大柱距也造成屋面檩条设计困难且维护构件的费用大幅增加，因此，首先放弃了实腹钢梁方案。钢网架目前在大跨度空间的运用已经非常普遍，而管桁架也以其美观实用而逐步推广。设计人员经过估算，钢网架的用钢量约在30 kg/m2左右，而管桁架大约需要33 kg/m2。同时，考虑到该厂房各跨高度不一，平面形状特殊，为了保证屋面整体刚度，设计决定采用钢网架作为屋面的结构形式，网架结构形式为正放四角锥。2.2结构平面布置该厂房纵向长度为358 m，横向长度322 m，建筑尺度大，远远超过规范对温度区段长度的限制，同时由于屋面网架与排架柱共同作用时温度应力和温度变形计算比较复杂，因此考虑设置伸缩缝来解决平面尺寸超限问题。2.2.1纵向温度区段的分隔沿厂房纵向长度上，设计人员在15~16轴线之间设置横向伸缩缝。伸缩缝按常规做法设置双柱，但在设计时需考虑到重型厂房的实际情况，合理确定双柱轴线间距离。首先，参考钢吊车梁图集，要求吊车梁在伸缩缝处悬挑600 mm；另外，因中心厂房柱截面尺寸较大，并且要考虑插入式杯口基础之间的施工空间和下部桩基础的排布，因此确定双柱轴线间距离为1 500 mm，并将吊车梁在伸缩缝处悬挑长度改为700 mm。在1-5轴线区域，厂房的高度在纵向比其他区域低，因此将该区域独立
出来，单独计算。同时，在1轴线外侧，尚有2个高度较低的预处理车间的厂房与金构车间相接，设计中将这2个预处理车间上部结构与金构车间独立开来，但由于两者相距太近，柱的基础承台共用1个。通过以上划分，金构车间纵向温度区段的最大长度为175.5 m，小于规范要求的220 m[2]。2.2.2横向温度区段的分隔在厂房横向，规范要求柱顶铰接时温度区段应小于150 m[2]，因此也需要设置伸缩缝。最初，有设计人员提出在横向排架也设置双柱伸缩缝。但图1金构车间平面图（单位：m）图2金构车间横向剖面图（单位：m）图3柱肢截面形式图5屋面网架划分进一步深入考虑就发现，在横向设置双柱的困难比较大。因为在纵横向伸缩缝的交点处，排架柱将会变成四柱，这样柱顶的网架支座、排架柱本身和柱基础承台均难以布置，计算时需考虑的工况也非常复杂。笔者认为，伸缩缝的设置主要是为了消除温度应力和变形的影响，而沿厂房横向，排架柱仅通过屋面网架和吊车相互联系。由于吊车位置不确定，可以不考虑其影响，因此只要切断屋面网架的横向联系，这个问题就可以迎刃而解。规范中对于露天排架横向温度区段是没有要求的，这也说明屋面是排架柱横向联系的唯一途径。最终，设计人员在E轴线柱顶设置双支座：一为固定支座，一为橡胶滑移支座，以释放屋面温度应力（图4）。这样，厂方横向温度区段分为160 m和162 m，虽然略超规范，但考虑到网架支座螺栓实际可以有一定量的移动以及排架柱的应力比尚有一定余量，因此仍在可接受范围内。通过以上的措施，屋面网架共划分为5块，见图5。周瑞：某钢结构重型工业厂房结构方案设计2.3计算模型的确定作为一个占地面积11万m2的重型工业厂房，其结构计算模型的选择尤为重要。考虑到本工程的设计时间非常短，采用了简化的平面排架结构形式进行计算。平面排架计算方便，计算结果也能保证一定的精确性，在单层厂房设计中大量采用，是比较成熟的计算模型[3]。但紧接而来的问题就是如何调整结构形式使其实际情况满足平面排架假定的要求。2.3.1消除平面外弯矩的影响平面排架的一个重要假定是排架平面外的弯矩可以忽略不计，在计算软件中一般也不考虑排架平面外弯矩对柱的影响，因此在实际设计中就必须尽量减少排架的平面外受力。在1~5轴线之间的区域，因工艺要求，厂房的高度在纵向比其他区域低了近10 m，该区域屋面网架因此与其他网架脱开而自成体系，该网架在5轴线处的支座就成了一个问题。如果在5轴线排架柱上设置牛腿以承托网架，由于网架的支座反力较大，对排架柱平面外将产生一个较大的弯矩。为了消除这个弯矩的影响，设计人员决定撤销5轴线支座，将网架改由4轴线悬挑至5轴线处并留出变形缝，·247·水运工程2008年从而保证计算模型假定与实际情况的符合。该问题同样产生在1轴线。1轴线处设有沿厂房纵向运行的16 t半龙门吊车（一脚落于吊车梁，一脚落于地面的Γ型吊车），由于这个吊车的运行线路与其他吊车垂直，若将吊车梁设于排架柱上，不仅吊车梁难以设计（跨度将达40 m），而且其将对排架柱产生平面外的弯矩。设计人员研究决定，采取避开排架柱的方式，将吊车梁设于1轴线的抗风柱上。因抗风柱的间距较小（一般10 m左右），吊车梁方便设计，同时吊车荷载对抗风柱产生的弯矩与风荷载产生的弯矩均位于抗风柱平面内，这样可以单独计算抗风柱，而与排架柱脱离，消除了其对排架柱平面外的影响。2.3.2横向排架计算模型的确定网架作为一个空间结构，相对于排架柱来讲，其刚度非常大，因此在排架建模时，我们将其看作一个刚体，采用一个刚性杆来代替网架，在柱头节点，将网架支座与柱的连接考虑为铰接，基本符合实际情况。另一方面，由于我们在E轴线柱顶设置了滑移支座，因此原本依靠屋面传递的水平力将无法在E轴线之间传递过去，所以在建模时应撤销E-F轴线之间的屋面刚性杆，以符合实际受力情况，平面排架的建模形式见图6。厂房纵向的计算按常规方法设置柱间支撑以抵抗纵向水平力。3结语通过对金构车间方案设计的分析，介绍了对于钢结构重型工业厂房的结构形式、结构平面布置、计算模型等方面的确定过程，希望为同类型工业建筑的设计提供有益的借鉴。同时，因重型工业厂房一般工艺流程复杂，因此本文的一些处理措施具有特殊性，在遇到问题时尚应具体分析。在选择计算模型时，不但要注意使计算模型符合实际情况，而且可以通过一些措施使
实际情况符合计算模型，这样才能确保计算的精确性。该厂房于2007年10月投入使用，目前使用情况良好，表明方案设计中所采取的种种措施是有效可行的。笔者认为，在超大型厂房的设计过程中，方案设计应放在首要地位，予以极大的重视，一旦方案设计有较大缺陷或过于笼统，将会导致具体设计的过程难以为继甚至返工，造成时间精力上的浪费。致谢：在设计过程及本文的写作过程中，得到了陈其峰副总工程师、郭瑞隆主任工程师、池跃中主任的大力协助与指导，在此表示衷心的感谢！
参考文献：
[1]胡祖强,柏炯,朱炜.外高桥造船基础架系统总结[J].建筑结构进展,2003,(32):32-36.[2]GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].[3]包头钢铁设计研究院.钢结构设计与计算[M].北京:机械工业出版社,2004.
