【浅谈大跨度工业厂房的优化设计】 大跨度工业厂房应用
时间：2019-05-26 03:20:52 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：近年来，由于轻钢结构的大力发展，门式刚架因具有，梁柱联合受力，结构合理，整体性好等优点，成为大跨度厂房最受欢迎的结构形式。相对屋架形式的厂房来说，除了简洁明快、制作简单、便于安装、降低厂房高度等优点外，在厂房吊车吨位不是太大，上阶柱不太高的情况下，对减少钢材消耗量也有一定优势。笔者根据多年设计经验，就大跨度工业厂房的屋面系统设计的优化提出了自己的宝贵意义。
关键词：大跨度；设计；荷载
Abstract: in recent years, due to the strong development of light steel structure, the door frame for has, beam-column joint force, reasonable structure, and the advantages of integrity, become a big span plant the most popular form of the structure. Relative roof form of workshop for, in addition to concise and lively, make simple, convenient in installation, reduce the plant height, etc advantages outside, in workshop crane tonnage is not too big, not too much of the column on order, to reduce steel consumption also have certain advantages. The author according to years of design experience, big span industrial workshop roof system design optimization puts forward his own precious significance.
Keywords: big span; Design; load
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、引言
传统结构设计中，跨度较大的普钢厂房屋面系统一般采用屋架式，一般可分为梯形屋架、三角形屋架、两铰拱屋架、三铰拱屋架和梭型屋架等。一般认为，采用屋架结构较为节省材料但杆件多，施工制作复杂，人工消耗高。而在大跨度厂房中采用实腹梁过去一般是厂房有净空限制或者特殊要求时才采用，普遍认为实腹梁钢材消耗量较大，自重大。但这种结构的厂房相对屋架形式的厂房来说，除了简洁明快、制作简单、便于安装、降低厂房高度等优点外，在厂房吊车吨位不是太大，上节柱不太高的情况下，对减少钢材消耗量也有一定优势。
二、大跨度工业厂房的优化设计
1、荷载取值
大跨度工业厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载、积灰荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、吊车水平荷载等。荷载取值准确与否直接关系到结构的安全以及耗钢量的多少。一般情况下，屋面荷载我们按如下取值：永久荷载：压型板加结构自重取值0.8KN/m2;另取管道吊挂等荷载0.2KN/m2；可变荷载：刚架及屋面梁计算时取值0.3KN/m2；（雪荷载超过该值时按雪荷载取值）单个构件及受荷面积不超过60m2的檩条计算时取值0.5KN/m2；（雪荷载超过该值时按雪荷载取值）未考虑屋面积灰荷载，是因为两厂房都距离灰源较远，加上轧钢（管）厂房积灰的可能性相当小。考虑积灰荷载和不考虑积灰荷载，曾经也作过计算比较，仅屋面梁耗钢量就相差5%左右。当然这并不是说屋面荷载取值越小越好，最关键在于根据实际情况准确取值。
2、大跨度工业厂房纵向刚度计算
厂房的纵向刚度计算对整个厂房的使用安全是非常重要的，《钢结构设计规范》对此有专门的规定：即由一台起重量最大的吊车产生的纵向水平荷载标准值（不考虑动力系数）引起柱在吊车梁上翼缘顶面标高处的纵向位移值，不得超过 H/4000（ H为柱脚底面到吊车梁上翼缘顶面的距离）。计算柱纵向位移时，通常采用以下假定：仅考虑柱间支撑或其它纵向框架的刚度，而忽略柱刚度的影响，同时假定支撑与柱的连接节点为铰接；计算十字交叉支撑时，一般仅考虑拉杆工作。当纵向水平构件如吊车梁、辅助桁架等截面较大时，可忽略其轴向变形影响；吊车纵向水平力由温度区段内所有柱间支撑共同承担。
3、结构布置
在大跨度钢结构工业厂房中，结构布置首要的是确定伸缩缝的位置，然后根据温度区段确定是柱间支撑的位置，最后才是综合考虑屋面支撑等的布置。由于大跨度厂房一般体量大，厂房在纵横向都设置温度伸缩缝，具体的在宽度方向上，尽量选择在厂房宽度和高度变化较大的位置设置纵向伸缩缝，其构造上可以采用的是柱上设牛腿，用橡胶支座支撑低跨屋面梁的形式。而横向伸缩缝，以双柱的形式来构造。
4、变截面屋面梁的设计要点及焊接工艺
变截面屋面梁的设计宜采用中国建筑科学研究院开发的钢结构CAD软件STS 中的框排架模块，柱顶端节点与梁刚接。可以一次性算出屋面梁和厂房柱的内力，并进行截面选择和验算。但设计时仍需要注意以下一些问题：
（1）屋面梁变截面点位置的选择
大跨度工业厂房在屋面梁在支座处的负弯矩最大，但负弯矩向跨中成抛物线快速衰减，大约在宽度1/4～1/3处变为零，然后逐渐变为正弯矩，直到跨中附近正弯矩达到最大；一般来说，支座负弯矩都大于跨中正弯矩，为了节省材料，变截面梁一般也是根据弯矩图的变化，在支座处截面做得最大，然后逐渐向跨中变小，直到一个位置，截面不再变化，变为等截面的一段。由于等截面这段，在整个梁中截面最小，很容易让人产生该段越长越节省材料的错觉，从受力上来说，确实可以根据弯矩图将变截面点尽量靠近支座，以增加直段的长度达到节约材料的目的，但在笔者所以往的厂房结构设计中发现，由于厂房的跨度较大，其变形控制的要求在屋面梁设计中占据了非常重要的位置，如果变截面点离支座太近，要满足屋面梁挠度的控制要求，往往需要加大直段的断面，反而得不偿失。根据笔者的经验，将变截面点放在跨度1/3 处是比较经济的做法。
（2）腹板的局部稳定
由于支座处负弯矩大，屋面梁在支座处的截面一般比较高，但腹板的厚度一般不宜取得太厚，以往高厚比超过规定值，因此在采用程序计算的同时，必须按照《钢结构规范（ GB50017-2003）第4.3.3条再复核腹板的稳定性。
（3）隅撑的设置
隅撑的作用：设置隅撑是为了保证屋面梁下翼缘平面外的稳定性。特别是当屋面梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置隅撑作为屋面梁的侧向支承，隅撑另一端连接在檩条上。隅撑虽小却是不可或缺的结构构件，近年来由于隅撑设置不当或者漏设隅撑出现的质量事故屡见不鲜，在设计和施工中一定要重视，切不可掉以轻心。由于隅撑不是用来承受竖向力的构件，因此在设计上要注意隅撑与水平面的角度不能大于45度，另外在安装时，应等尽量等屋面梁在竖向上充分变形后，再行焊牢，以避免竖向荷载加于隅撑之上。
（4）屋面梁与钢柱连接的焊接工艺要求
一般屋面梁与钢柱的钢接连接，我们都喜欢采用由钢柱带牛腿与屋面梁进行焊接的方式，这样种连接具有整体性好，施工较为简单方便的优点，但同时要注意，这种连接对现场焊接的要求很高，特别是对拉应力较大的屋面梁上翼缘与柱连接处的焊接要求必须达到一级焊缝。在设计中必须对焊接做以下要求：
a.上翼缘为一级焊缝，下翼缘为二级焊缝。
b.焊缝区域30-50mm 范围内铁锈、毛刺、污垢清除干净，垫板与母材底面贴紧，保证焊接金属与垫板完全融合。
c.焊接前先将衬板焊接在屋面梁上，接口两端焊接引弧板，引弧板长度50 mm，宽度50 mm，焊接时必须从引弧板上引弧，焊缝引出长度应大于25 mm，保证焊缝起头部位焊肉饱满。焊接完毕后用火焰切除引弧板，并沿受力方向修磨完整，严禁用锤击落。
结语：
在大跨度普钢厂房中，运用变截面实腹屋面梁的结构形式，如果处理得当，在吊车吨位不是特别大，厂房上柱高度不算是特别高的情况下，具有比采用屋架结构形式更省材料，省人工，施工方便且建筑形式简洁明快的突出优点，但在设计和施工中要注意隅撑，厂房纵向刚度等非常重要的细节部分，在施工安装中还要特别注意屋面梁和柱连接处非常高的焊接要求。另外，随着市场的发展和建设，钢材市场的价格日渐不稳定，钢材的价格在一定程度上得到了提高，钢柱的用钢量大于钢梁的用钢量，并且防火涂料在钢柱中的使用是必须的，而防火涂料价格昂贵，并且由于工程建设的需要，混凝土柱钢梁的设计逐渐得到了业主的认可，实现了传统钢筋混凝土柱焊接工艺钢梁的设计结构形式。
参考文献：
1.GB50010-2010,建筑抗震设计规范 2010
2.GB50010-2010,混凝土结构设计规范 2010
3.GB50017-2003,钢结构设计规范 2003
4.CECS 102:2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 2002
