多高层工业厂房结构设计要点分析
时间：2023-02-11 11:35:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张绍斌
（广州汉森建筑设计有限公司，广州 510430）
改革开放以来，各行各业雨后春笋般蓬勃兴旺，我国经济得到快速发展，土地问题也随之变得日益严峻，时代的发展对建筑的设计提出了更高的要求。在过去，工业建筑往往以单层钢结构工业厂房为主，但是近年来逐渐往多高层混凝土结构发展。为满足现代化高标准的生产需要，工业建筑的结构设计的问题是整个建筑设计环节最为关键的。它与常规民用建筑不同，具有跨度大、荷载大的特点，在整个设计环节中，应全面考虑它与普通建筑的不同之处，保证工业厂房结构设计的科学合理。
对于不同使用功能的工业厂房，活荷载的取值也有所不同。根据GB 55001—2021《工程结构通用规范》[1]4.2.7条，工业建筑楼面活荷载按使用功能的不同，电子产品加工、轻型机械加工、重型机械加工类工业建筑，分别应不小于4.0 kN/m2、8.0 kN/m2、12.0 kN/m2。在工程实际中，活荷载取值除了要满足规范的要求外，仍应根据建筑使用的实际情况，确定活荷载的实际所需取值大小，以保证建筑物的使用安全。
多高层工业厂房的结构布置应结合建筑的使用功能需要及荷载大小，选择合理的结构形式。一般而言，对于大面积的生产区域位置，多采用单向双次梁体系，即平行弱轴方向采用大截面、强刚度主梁，平行长轴方向，在主梁跨度范围内布置2根次梁搭在主梁上，形成的板格通常为单向板。该体系结构受力形式合理，具有良好的经济效益，得到了广泛的应用[2]。
关于梁截面的选择，既要考虑建筑使用的需要，同时也要考虑工程造价的经济性。对于建筑的使用功能而言，工业厂房的生产区域需要摆放大型生产设备，应避免梁高过大，导致净空不足。对于经济性而言，梁的配筋率一般控制在0.6%～1.5%[3]，可获得较好的经济效益，设计人员可以此为据，不断调整计算模型，确定最优的梁截面大小。
柱截面的确定，除了应满足建筑的使用要求外，对于结构设计而言，最首要的是要满足规范对轴压比的规定。其次，为了优化柱截面的选择，获得较好的经济效益，应根据建筑总层数，合理选用混凝土强度。当层间位移比有较大富余时，可考虑采用较小的柱截面，并提高混凝土强度等级。这样既能提高结构的延性和耗能能力，又能获得较好的经济效益[4]。一般而言，混凝土等级在底层强度最高，然后每隔一定层数逐渐减小至C30。需要注意的是，混凝土等级的变化层，不宜同时改变柱子截面的面积大小，否则可能会出现上层柱比下层柱配筋更大的情况。另外，在确定柱子截面大小时，宜反复利用模型试算调整，使柱子尽量控制为构造配筋率，经济性更佳。
4.1 活荷载组合系数
根据GB 55001—2021《工程结构通用规范》，工业建筑楼面活荷载相应的组合值系数、频遇值系数以及准永久值系数均与设计软件的默认值不同，分别为0.8、0.6、0.5，设计人员应注意修改该参数的取值。
4.2 重力荷载代表值分项系数
根据GB 50011—2011《建筑抗震设计规范》（2016年版）[5]5.1.3条，民用建筑楼面活荷载组合值系数取值为0.5，为计算软件的默认值。而对于工业建筑，无明确规定。抗震设计手册[6]指出，多层工业厂房的取值可大于一般民用建筑，但也没有给出具体取值建议。古今强[7]通过算例比较，指出重力荷载代表值分项系数对计算结果影响较明显，并给出了该系数的取值建议。《工业建筑抗震设计标准》（征求意见稿）给出了具体的取值为0.8。尽管对于工业建筑该系数的取值仍未有成文的规定，但是若按0.5取值显然是不妥的，在工程实际中，应根据实际的楼面活荷载大小，调整该系数的取值。
4.3 活荷载最不利布置
工业厂房活荷载较大，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[8]5.1.8条，当楼面活荷载大于4 kN/m2时，应考虑楼面活荷载不利布置引起的结构内力的增大。在计算软件中，活荷载最不利布置最高层高默认为1，设计人员应人为修改该参数的取值。一般而言，除屋面层外，各层均为工业生产所在的楼层，因此，该参数应取至屋面层的上一层所对应的层号。
工业厂房活荷载取值较大，在构件配筋设计方面与常见民用建筑存在着一些差异。
5.1 梁、板跨中负弯矩作用
如图1所示为5跨连续梁作用均布恒荷载g为1.5 kN/m，活荷载q为5 kN/m，跨中弯矩最大值为26.5 kN·m，如图2所示。当考虑活荷载最不利布置后，跨中弯矩最大值变为32.4 kN·m，且部分梁跨中出现了负弯矩，如图3所示。通过这一简单的算例，可以发现当活荷载大于恒荷载一定的倍数，梁跨中不再是常规的下部受拉，上部受压，而是出现了跨中上部受拉的情况。一般来说，工业厂房恒荷载取值为1.5～2 kN/m2，活荷载则根据不同的使用功能需要取值为4～10 kN/m2。由此可见，工业厂房正存在上述算例的类似情况，且往往出现在连续多跨次梁和多跨连续板上，在设计中应采取相应的措施，避免负弯矩引起的混凝土开裂。对于次梁而言，当考虑活荷载按最不利工况布置后，可根据软件计算结果，配置相应面积的通长钢筋代替架立筋。对于板而言，可根据活荷载和板长宽比的大小，考虑采用单向或双向面筋拉通配置的方式，防止楼板在负弯矩作用下开裂。
图1 连续梁内力计算简图
图2 连续梁弯矩图(单位kN·m)
图3 连续梁弯矩包络图(单位kN·m)
5.2 箍筋加密区长度不足
工业厂房结构梁布置常采用单向双次梁体系，对其主梁进行受力分析，其计算简图及剪力图分别如图4和图5所示。从图5中可以看出，在主梁自重和次梁传来的集中力作用下，主梁两端受到的剪力较大，而两次梁之间范围内受到的剪力较小。因此，对于工业厂房而言，其箍筋加密区往往需要加密至第一道次梁，或者采用局部加密非加密区的方式，使箍筋配置满足计算要求。
图5 单跨梁剪力图
5.3 附加吊筋
主次梁相交的节点处，是除梁端以外主梁承担剪力最大的位置，该处剪力由附加钢筋承担（包括附加箍筋和附加吊筋）。一般民用建筑，节点两端配置附加箍筋基本可满足计算要求，而对于工业厂房而言，除了配置附加箍筋，往往仍需配置附加吊筋。在实际工程设计中，设计人员可利用计算软件的梁施工图模块进行快速复核。
5.4 裂缝控制
工业厂房荷载较大，且受到机器设备运作振动的影响，容易导致裂缝的产生，影响结构的耐久性[9]。为了对结构进行裂缝控制，应合理地选配钢筋。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（201年版）第7.1.2条裂缝宽度计算公式，在配筋面积相同的情况下，采用较小的直径，可以有效减小裂缝的宽度。在实际工程中，可供选择的配筋方式很多，但考虑到施工便利，也不能一味追求小直径钢筋，宜在钢筋排数相同的情况下（不宜超过两排钢筋），尽量选用较小直径钢筋，以达到减小裂缝宽度的目的。
对工业厂房进行结构设计的过程中，注意到其活荷载较大的特点，在结构选型布置、结构模型建立和结构施工图绘制等各个环节，应有针对性地采取相应的措施。
1）对于计算模型的参数取值，应注意其计算参数的选择与一般民用建筑的不同之处，如活荷载组合系数、重力荷载代表值分项系数、活荷载最不利布置、最高层号等。
2）板面筋应考虑单向或双向拉通，而次梁应根据计算结果配置通常筋，避免荷载最不利布置时楼板或次梁跨中出现负弯矩而造成开裂。
3）当采用单向双次梁体系时，箍筋加密区往往需加密至第一道次梁，并且在主梁与次梁相交节点处设置附加吊筋。
4）工业厂房结构应进行裂缝验算，框架梁及次梁的配筋，在配筋面积和钢筋排数相同的情况下，宜选用小直径钢筋，以减小裂缝宽度。
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