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中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：
近年，随着我国经济建设的迅速发展，多层轻型钢结构厂房以其自重轻、用钢量少、抗震性能好、施工速度快等特点获得了广泛应用，具备相当的竞争力。本文结合某多层轻钢结构厂房，论述了其设计方法及结构特点，并进行了经济指标的比较，为今后类似工程的推广与应用提供一些有益的经验。
一、多层轻钢结构厂房的特点
1.1采用轻型围护结构
带彩色涂层的压型钢板和夹芯金属板，以其自重轻，保温隔热效果好，安装速度快，外表美观的优点，已经取代传统多层厂房的砌体围护墙体，成为多层轻钢厂房不可缺少的围护材料。轻型围护结构有利于大幅度减轻结构自重和降低对基础的要求。
1.2层高与柱网尺寸大
相对多层民用建筑，多层轻钢厂房根据工艺要求，层高比较大，一般为4－8m，如一个4层厂房的高度可相当于8层民用建筑；多层轻钢厂房内部空间大，柱距多为6－12m，有时达到18m。
1.3活荷载大
由于原料堆放以及生产工艺的要求，多层轻钢厂房的活荷载多为2.5－20kN/m2,远大于多层民用建筑的活荷载。
1.4较多的县桂与集中荷载
多层厂房的悬挂荷载主要包括安装荷载。工艺流水线,吊车等荷载，而集中荷载主要包括设备自重，有时还会有设备振动荷载。
1.5结构错层布置
多层民用建筑的结构多为对称布置，而对于多层轻钢厂房，为了满足工艺要求，常常会出现结构错层现象，这使得楼板不再完整，质量沿高度分布的均匀性被破坏，在地震作用下，可能发生扭转。并且由于“短柱效应”，使得水平剪力成为某些柱段的控制因素。
1.6施工周期短
与传统的钢筋混凝土厂房相比，多层轻钢厂房的设计，生产，施工趋于一体化，加之现场少焊接，少湿作业，这些都有利于缩短周期，加快资金流通。
二、多层轻钢厂房的结构布置
2.1结构体系
多层厂房宜采用由工形或箱形桩和工形梁组成的空间框架体系，构件多为钢板焊接。这种体系侧向刚度较小，需设置侧向支撑，或结合电梯井的布置，可采用框架一抗剪桁架结构，框架一抗剪钢板剪力墙，框架一钢混剪力墙体系，确保对结构水平位移的控制。
2.2柱网布置
厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置，过去我国习惯上将柱距模数定为3m(常用3m ，6m， 12m等)，而对于多层轻型钢结构厂房而言，钢架的间距宜为6m,亦可采用4.5m,7.5m,9m,12m。刚架的跨度可根据工程需要灵活设定。
2.3支撑体系
多层厂房轻钢结构侧向刚度较弱，为了抵抗水平风荷载和地震作用，减小层间侧移，应在设置柱间支撑的开间，同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。
2.4节点构造
多层钢结构厂房柱多采用焊接工形或箱形载面。由于工形载面腹板比较薄，故在弱轴方向与梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。同时多层房屋钢结构的板件宽厚比大，应尽量避免工地现场焊缝连接。图1给出了常用的多层轻钢房屋梁柱连接节点示意图。
2.5围护结构
为了减轻多层厂房的自重，围护结构多采用轻质材料。外墙体常采用非自承重式轻型墙体，底层墙体常采用空心粘土砖砌体。
内隔墙可采用空心砌块、加气混凝土块等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板。
层盖结构多采用檩条体系，或轻钢网架或轻型桁架加铺轻质保温层和压型彩钢板。
2.6楼面构造
多层钢结构厂房的楼板必须有够的承载力、刚度和整体性，当前主要采用以下两种形式：
(1)压型钢板组合楼盖：这种楼盖的具体做法是在钢梁上铺设压型钢板，再浇注100－15mm的钢筋混凝土板，压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。设计时如考虑钢梁和楼板的组合作用，则次梁设计的用钢量将比不考虑组合作用时节省25－35％，且能有效降低梁高，提高楼层将空，这种设计方法将有效降低多层厂房的总用钢量。
(2)预制板叠合层组合楼盖：这种楼盖的具体做法是钢梁上铺设预应力钢筋混凝土薄板，再浇注100－150mm的钢筋混凝土板。这种做法由于省去压型钢板而使总造价大为降低，是一种有广泛应用前景的楼面结构。
2.7基础形式
多层轻钢厂房的基础多采用柱下独立基础，条形基础，十字型基础，如场地土条件较差可采用片筏形基础或桩基础。基础梁多采用现浇或预制混凝土梁，也可采用钢基础梁，但通常将埋置在地面以下的柱脚和钢梁外包混凝土，以解决防腐问题。
三、多层轻钢厂房的计算与设计要求
3.1计算方法
虽然目前有一些于手算的简化公式，但实际中一般采用通用有限元结构分析程序或钢结构设计专用程序。
对于设计地震烈度为6度以上的地区，必须考虑水平地震作用。结构布置均匀的多层轻钢厂房可采用底部剪力法计算。
3.2设计的基本
对于多层轻钢厂房，框架梁柱不仅应满足承载力要求。还要同时满足刚架柱构件稳定性与钢框架的整体稳定性要求。
此外对主刚架整体横向刚度的检验也是必不可少的，具体要求如下：
A．在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/500
B．层间相对位移与层高比不宜大于1/400
C．在常遇地震作用下，层间侧移不超过楼层高度1/250。
D．顶层的层间移可取1/50，但是为了与下层刚架柱保持一致，应取1/200。
四、典型工程实例
4.1工程背景
某工程是炼油配套装置的多层轻钢结构厂房。总建筑面积达10782.0m2，平面呈矩形，总长为84.0m,宽27.9。其中主体部分为4层，局部6层。本工程结构平面布置如图2所示，剖面结构布置图见图3。首层层高6.9m,二－四层层高分别为6.0m、5.1m、5.1m；夹层层高3.0m。建筑物总高22.1m，柱距纵向为6.0m横向为6.9m、7.5m、13.5m。
主承重结构体系为三跨工形载面钢框架结构体系；层面采用薄壁型钢C型檩条和双层保温层面板；柱与基础均刚性连接，柱下独立基础，楼面采用压型钢板组合楼盖。墙面采用外挂夹芯板的形式；内墙均为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。
4.2设计分析计算
4.2.1计算荷载
工程所在地基本风压为0.55kn/m2;设计地震烈度为7度近震，IV类场地。主要荷载按表1取值。
表1主要荷载取值（Kn/m2）
4.2.2计算工况
《建筑钢结构设计手册》规定，多层轻钢结构(无吊车情况下)需考虑以下几种荷载组合工况：
11.2×恒载效应标准值＋1.4×活荷载 效应标准值
21.2×恒载效应标准值＋1.3×(风荷载＋活荷载)效应标准值
31.2×生力恒载效应标准值＋1.3水平地震作用效应标准值＋1.4×风荷载效应标准值
41.2×恒载效应标准值＋1.4×活荷载效应标准值(第一、三跨布置)标准值
4.2.3计算方法
结构分析计算利用有限元析软件SATWE和STS完成框架杆件强度、刚度、自振周期的计算。由于纵向对称，可简化为平面结构模型。将框架附属结构简化为荷载处理。其中框架柱与基础为刚性连接.
4.3结果分析
4.3.1结构振型与自振周期
结构水平方向的主要振型无明显突变，说明结构沿高度方向质量和刚度分布合理。X方向的6个基本自振周期见表2
表2结构的X方向的自振周期（s）
4.3.2主要构件自尺寸
本结构框架梁柱采用焊接工字形截面，框架柱间采用双角钢和双槽钢支撑，根据计算分析结果，对梁、柱截面规格尺寸进行了优化和归并，主要梁柱截面及其工程用量见表3所示
表3 梁柱截面形式(Q345钢材)
4.4计算结果
4.4.1构件的强度、刚度与稳定性
计算分析表明，各种梁、柱设计应力均控制在规范允许设计限值的90％，结构构件的强度、刚度和稳定性好。
4.4.2结构水平移
结构分析过程中分别计算了结构在水平风荷载和地震作用下产生的侧向位移，主检结果如下：
A.水平风荷载作用
X方向最大层间位移d/h=1/464
X方向最大顶点位移D/H=1/572
B.水平地震荷载作用
X方向最大层间位移d/h=1/710
X 方向最大頂点位移D/H=1/954
以上结果均满足侧向位移的要求。
五、结论
本工程地上部分材料用量约为50.4kg/(不含压型钢板)。按现行基价核算，造价可以传统的钢筋混凝土结构方案持平，甚至略低于筋混凝土方案，如果考虑压型钢板组组合楼盖或预制板叠合层组合楼盖的组合作用，次梁用钢量将减少25％.
从这本工程实例分析中不难看出，轻型钢结构体系可大幅度降低材料用量，从而降低工程总造价，多数情况下低于传统钢筋混凝土结构多层工业厂房，所以，综合经济效益优良的多层轻钢厂房，将会有广阔的应用前景。
近年，随着我国经济建设的迅速发展，多层轻型钢结构厂房以其自重轻、用钢量少、抗震性能好、施工速度快等特点获得了广泛应用，具备相当的竞争力。本文结合某多层轻钢结构厂房，论述了其设计方法及结构特点，并进行了经济指标的比较，为今后类似工程的推广与应用提供一些有益的经验。
一、多层轻钢结构厂房的特点
1.1采用轻型围护结构
带彩色涂层的压型钢板和夹芯金属板，以其自重轻，保温隔热效果好，安装速度快，外表美观的优点，已经取代传统多层厂房的砌体围护墙体，成为多层轻钢厂房不可缺少的围护材料。轻型围护结构有利于大幅度减轻结构自重和降低对基础的要求。
1.2层高与柱网尺寸大
相对多层民用建筑，多层轻钢厂房根据工艺要求，层高比较大，一般为4－8m，如一个4层厂房的高度可相当于8层民用建筑；多层轻钢厂房内部空间大，柱距多为6－12m，有时达到18m。
1.3活荷载大
由于原料堆放以及生产工艺的要求，多层轻钢厂房的活荷载多为2.5－20kN/m2,远大于多层民用建筑的活荷载。
1.4较多的县桂与集中荷载
多层厂房的悬挂荷载主要包括安装荷载。工艺流水线,吊车等荷载，而集中荷载主要包括设备自重，有时还会有设备振动荷载。
1.5结构错层布置
多层民用建筑的结构多为对称布置，而对于多层轻钢厂房，为了满足工艺要求，常常会出现结构错层现象，这使得楼板不再完整，质量沿高度分布的均匀性被破坏，在地震作用下，可能发生扭转。并且由于“短柱效应”，使得水平剪力成为某些柱段的控制因素。
1.6施工周期短
与传统的钢筋混凝土厂房相比，多层轻钢厂房的设计，生产，施工趋于一体化，加之现场少焊接，少湿作业，这些都有利于缩短周期，加快资金流通。
二、多层轻钢厂房的结构布置
2.1结构体系
多层厂房宜采用由工形或箱形桩和工形梁组成的空间框架体系，构件多为钢板焊接。这种体系侧向刚度较小，需设置侧向支撑，或结合电梯井的布置，可采用框架一抗剪桁架结构，框架一抗剪钢板剪力墙，框架一钢混剪力墙体系，确保对结构水平位移的控制。
2.2柱网布置
厂房结构设计中首先要解决的问题是如何配合工艺要求进行柱网的平面布置，过去我国习惯上将柱距模数定为3m(常用3m ，6m， 12m等)，而对于多层轻型钢结构厂房而言，钢架的间距宜为6m,亦可采用4.5m,7.5m,9m,12m。刚架的跨度可根据工程需要灵活设定。
2.3支撑体系
多层厂房轻钢结构侧向刚度较弱，为了抵抗水平风荷载和地震作用，减小层间侧移，应在设置柱间支撑的开间，同时设置屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。
2.4节点构造
多层钢结构厂房柱多采用焊接工形或箱形载面。由于工形载面腹板比较薄，故在弱轴方向与梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。同时多层房屋钢结构的板件宽厚比大，应尽量避免工地现场焊缝连接。图1给出了常用的多层轻钢房屋梁柱连接节点示意图。
2.5围护结构
为了减轻多层厂房的自重，围护结构多采用轻质材料。外墙体常采用非自承重式轻型墙体，底层墙体常采用空心粘土砖砌体。
内隔墙可采用空心砌块、加气混凝土块等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板。
层盖结构多采用檩条体系，或轻钢网架或轻型桁架加铺轻质保温层和压型彩钢板。
2.6楼面构造
多层钢结构厂房的楼板必须有够的承载力、刚度和整体性，当前主要采用以下两种形式：
(1)压型钢板组合楼盖：这种楼盖的具体做法是在钢梁上铺设压型钢板，再浇注100－15mm的钢筋混凝土板，压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。设计时如考虑钢梁和楼板的组合作用，则次梁设计的用钢量将比不考虑组合作用时节省25－35％，且能有效降低梁高，提高楼层将空，这种设计方法将有效降低多层厂房的总用钢量。
(2)预制板叠合层组合楼盖：这种楼盖的具体做法是钢梁上铺设预应力钢筋混凝土薄板，再浇注100－150mm的钢筋混凝土板。这种做法由于省去压型钢板而使总造价大为降低，是一种有广泛应用前景的楼面结构。
2.7基础形式
多层轻钢厂房的基础多采用柱下独立基础，条形基础，十字型基础，如场地土条件较差可采用片筏形基础或桩基础。基础梁多采用现浇或预制混凝土梁，也可采用钢基础梁，但通常将埋置在地面以下的柱脚和钢梁外包混凝土，以解决防腐问题。
三、多层轻钢厂房的计算与设计要求
3.1计算方法
虽然目前有一些于手算的简化公式，但实际中一般采用通用有限元结构分析程序或钢结构设计专用程序。
对于设计地震烈度为6度以上的地区，必须考虑水平地震作用。结构布置均匀的多层轻钢厂房可采用底部剪力法计算。
3.2设计的基本
对于多层轻钢厂房，框架梁柱不仅应满足承载力要求。还要同时满足刚架柱构件稳定性与钢框架的整体稳定性要求。
此外对主刚架整体横向刚度的检验也是必不可少的，具体要求如下：
A．在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/500
B．层间相对位移与层高比不宜大于1/400
C．在常遇地震作用下，层间侧移不超过楼层高度1/250。
D．顶层的层间移可取1/50，但是为了与下层刚架柱保持一致，应取1/200。
四、典型工程实例
4.1工程背景
某工程是炼油配套装置的多层轻钢结构厂房。总建筑面积达10782.0m2，平面呈矩形，总长为84.0m,宽27.9。其中主体部分为4层，局部6层。本工程结构平面布置如图2所示，剖面结构布置图见图3。首层层高6.9m,二－四层层高分别为6.0m、5.1m、5.1m；夹层层高3.0m。建筑物总高22.1m，柱距纵向为6.0m横向为6.9m、7.5m、13.5m。
主承重结构体系为三跨工形载面钢框架结构体系；层面采用薄壁型钢C型檩条和双层保温层面板；柱与基础均刚性连接，柱下独立基础，楼面采用压型钢板组合楼盖。墙面采用外挂夹芯板的形式；内墙均为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。
4.2设计分析计算
4.2.1计算荷载
工程所在地基本风压为0.55kn/m2;设计地震烈度为7度近震，IV类场地。主要荷载按表1取值。
表1主要荷载取值（Kn/m2）
4.2.2计算工况
《建筑钢结构设计手册》规定，多层轻钢结构(无吊车情况下)需考虑以下几种荷载组合工况：
11.2×恒载效应标准值＋1.4×活荷载 效应标准值
21.2×恒载效应标准值＋1.3×(风荷载＋活荷载)效应标准值
31.2×生力恒载效应标准值＋1.3水平地震作用效应标准值＋1.4×风荷载效应标准值
41.2×恒载效应标准值＋1.4×活荷载效应标准值(第一、三跨布置)标准值
4.2.3计算方法
结构分析计算利用有限元析软件SATWE和STS完成框架杆件强度、刚度、自振周期的计算。由于纵向对称，可简化为平面结构模型。将框架附属结构简化为荷载处理。其中框架柱与基础为刚性连接.
4.3结果分析
4.3.1结构振型与自振周期
结构水平方向的主要振型无明显突变，说明结构沿高度方向质量和刚度分布合理。X方向的6个基本自振周期见表2
表2结构的X方向的自振周期（s）
4.3.2主要构件自尺寸
本结构框架梁柱采用焊接工字形截面，框架柱间采用双角钢和双槽钢支撑，根据计算分析结果，对梁、柱截面规格尺寸进行了优化和归并，主要梁柱截面及其工程用量见表3所示
表3 梁柱截面形式(Q345钢材)
4.4计算结果
4.4.1构件的强度、刚度与稳定性
计算分析表明，各种梁、柱设计应力均控制在规范允许设计限值的90％，结构构件的强度、刚度和稳定性好。
4.4.2结构水平移
结构分析过程中分别计算了结构在水平风荷载和地震作用下产生的侧向位移，主检结果如下：
A.水平风荷载作用
X方向最大层间位移d/h=1/464
X方向最大顶点位移D/H=1/572
B.水平地震荷载作用
X方向最大层间位移d/h=1/710
X 方向最大頂点位移D/H=1/954
以上结果均满足侧向位移的要求。
五、结论
本工程地上部分材料用量约为50.4kg/(不含压型钢板)。按现行基价核算，造价可以传统的钢筋混凝土结构方案持平，甚至略低于筋混凝土方案，如果考虑压型钢板组组合楼盖或预制板叠合层组合楼盖的组合作用，次梁用钢量将减少25％.
从这本工程实例分析中不难看出，轻型钢结构体系可大幅度降低材料用量，从而降低工程总造价，多数情况下低于传统钢筋混凝土结构多层工业厂房，所以，综合经济效益优良的多层轻钢厂房，将会有广阔的应用前景。