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【摘要】随着社会经济的繁荣, 我国多层建筑发展迅速。设计思想也在不断更新。结构体系日趋多样化。建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂,这就给多层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。本文介绍说明了多层钢结构工业厂房设计原则以及特点，阐明了多层钢结构工业厂房设计常用的结构体系，并强调了使用软件分析结构内力的特点。
【关键词】多层钢结构厂房设计 结构体系
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
多层钢结构工业厂房设计原则
具体而言，设计多层钢结构工业厂房需要遵循以下几个原则：第一，建筑结构设计的整体化。多层钢结构工业厂房的设计与传统的钢结构建筑设计不同，后者是遵循的是先建筑后结构的原则，而多层钢结构则采用特殊的材料结合先进的设计软件，所以可以实现建筑设计与结构设计的同步完成，即建筑结构一体化设计，采用这种方法可以将建筑风格更完整的表现出来。此外，围护系统与主体结构的设计也要统一进行。第二，优化截面设计。在选择截面时优先选择厚度薄的，因为在用钢量相等的条件下，截面越大刚度也就越大，并且不能忽略相关规范中最小截面的问题；如果屋架杆件角钢的边长需要利用C 级螺栓连接支撑杆件，则要注意螺栓最大直径的选择；此外，为了备料方便，多层钢结构工业厂房所采用的角钢品种、规格最好控制在五种以内，如果两种规格的尺寸比较接近，可以尽量代用统一规格。
二、多层钢结构工业厂房的特点
1、荷载类型多
集中荷载主要包括设备自重, 有时还需要考虑其振动的影响。楼面上还有较大均布荷载。多层厂房的悬挂荷载主要包括安装、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。
2、荷载大
工业厂房的设备一般都在数十吨以上, 楼面活荷载达215~ 20 kN /m2。由于原料堆放以及生产工艺的要求，远大于多层民用建筑的活负载。
3、层高高，柱距布置应与工艺协调。
相对于多层民用建筑，多层工业厂房为了满足工艺要求, 层高比较大，一般为4~ 8 m，如一个4层厂房的高度相当于8层民用建筑；多层钢结构工业厂房内部空间大，柱距多为6~ 12 m, 特殊工艺要求的柱距在18 m 以上。
4、楼面开孔大, 质量刚度分布不均匀。
工业厂房很多大型设备从基础开始上下贯通达十几米甚至几十米, 再加上一些地方由于生产工艺的需要, 往往造成楼面大面积开洞,形成结构上的错层现象, 也造成厂房质量和刚度沿高度分布不均匀, 在地震作用下, 往往可能发生扭转的现象。多层民用建筑的结构多为对称布置, 而对于多层钢厂房, 为满足工艺要求, 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。
5、 施工周期短
与传统的钢筋混凝上厂房相比, 多层轻钢厂房的设计, 生产, 施工趋于一体化, 加之现场无焊接, 无湿作业, 这些都有利于缩短周期, 加快资金流通。
三、多层钢结构工业厂房的设计常用的结构体系
1、具体而言，多层钢结构工业厂房设计的常用结构体系包括以下几种：
第一，纯框架体系，即将厂房无需设置柱间支撑，其纵横两个方向均设计为刚接框架。
第二，框架- 支撑体系，该结构的横向设计为刚接框架，纵向设计则为柱- 支撑体系，其主要目的是通过柱间支撑将水平荷载抵消掉。
第三，钢架加支撑的混合体系，与第一种结构体系不同，钢架加支撑混合体系是将纵向设计为钢架与支撑混合的形式，二者共同作用抵抗水平力。
2、柱网布置与支撑体系
在进行柱网布置过程中需要遵循以下原则：与生产工艺、厂房的正常使用要求相符；保证建筑、结构的经济性与合理性；采用先进的施工方法；与厂房建筑统一化；适应工厂的生产发展与未来的技术革新等。支撑体系中，中心支撑与偏心支撑是最重要的柱间支撑。通常多层钢结构工业厂房最好选择中心支撑，K 型支撑则最好不要用。不过如果厂房处于强震区域，则最好采用偏心支撑，这种支撑形式的延性与耗能能力相对较好。
3、楼盖布置
楼盖的类型包括压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板、装配整体式预制钢筋混凝土楼板、装配式预制钢筋混凝土楼板以及普通的现浇混凝土楼板等。各种楼板形式不同，其优缺点也有所不同：比如压型钢板现浇钢筋混凝土的组合楼板整体刚度相对较好，但是成本也比较高；而压型钢板现浇楼板以及装配整体式预制钢筋混凝土楼板的施工效率比较高。对于多层钢结构工业厂房而言，压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板比较适用。
4、设置变形缝
变形缝主要有三种，即伸缩缝、沉 降缝以及防震缝。如果厂房的长宽过大，外界气温环境发生变化时，结构内部会产生温度应力，该应力可以拉裂墙面、屋面，对建筑结构的正常使用产生影响。而设置伸缩缝即是将厂房分为数个温度区段，可以有效的抑制温度应力对结构的影响。设置伸缩缝时要从基础顶面做起，分开两个温度区段的上部结构，预留相应宽度的缝隙，这样一旦气温发生变化，上部结构也可以沿着水平方自由变形
5、节点构造
钢结构的节点主要有以下几类: 柱与柱的接头、梁与梁的连接节点、梁柱的节点、支撑构件的节点以及柱脚节点等。其中梁柱的刚性节点受力情况相对复杂, 在美国和日本的地震中破坏也最为严重。近年来, 针对以前典型的栓焊连结型梁柱刚接节点的不足, 又出现了以下几种新的梁柱刚接形式: 盖板式节点、托座式节点、狗骨式节点和切缝式节点。对于一般的多层钢结构工业厂房仍可采用典型的栓焊连结型梁柱刚接节点。但在强震区宜使用设计思想先进, 能将塑性铰自梁端外移的狗骨式节点。
6、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。屋盖结构多采用凛条体系, 或轻钢网架或轻型析架加铺轻质保温层和压型彩钢板。
四、使用软件分析结构内力的特点
1、 网格生成平面简化
由于工业厂房的网格布置复杂, 在应用软件时, 完全按实际情况建模会产生大量的近节点, 对分析结果不利。需要利用一些简化手段, 但是同时应注意与实际出入不能太大。
2、利用柱间支撑调整结构纵向周期
柱间支撑不能简单地被看为构造措施, 必须把它作为一种受力杆件输入到模型中, 支撑的刚度直接影响到厂房纵向的周期与水平位移。如果有柱间支撑仍按纯框架模型计算,其结果会偏柔, 低估了地震力, 而且由于纯框架模型侧移大, 柱的用钢量反而比有支撑的模型大。支撑斜杆的两端连接节点虽然按刚接设计, 但由于其承擔的弯矩小, 在模型中支撑构件可按两端铰接模拟。
3、弹性楼板模型的确定
由于工业厂房楼板开洞较大, 且与钢梁间的约束较弱,因而在建模时可将工业厂房的楼板设定为弹性楼板。
4、主次梁节点应设定为铰接点
由于钢梁整体失稳模型为平面外的弯扭失稳, 而且钢梁的抗扭模量很小。若次梁的端部存在弯矩, 该弯矩会对主梁形成扭矩。为了防止主梁平面外的弯扭失稳, 应将主次梁节点设计为铰接。
五、结论
要想完善多层钢结构工业厂房的设计，必须深入构件及其与梁连接节点制造的标准化问题研究。在进行钢构件及与梁连接节点的制造时, 应逐步向标准化方向发展, 从而进一步提高生产效率, 更加充分地发挥钢砼结构的经济效益。多层钢结构的分析方法研究应对由钢结构组成的多层建筑结构体系进行分析和研究, 编制便于实际应用的分析软件和设计软件, 为在实际工程中更为合理地推广应用多层钢结构创造条件。
【参考文献】
[1]陈绍蕃. 钢结构稳定设计指南. 北京: 中国建筑工业出版社, 1996
[2]姚自君,建筑新技术、新构造、新材料北京: 中国建筑工业出版社, 1991
[3]高层建筑钢砼柱中心配筋新思想刘长寿[1] 张国栋[2] 工程抗震- 1997(4).- 10- 14
[4]浅谈多层钢筋混凝土框架结构设计王崇山刁延军华夏星火- 2003(12).- 48- 48
【关键词】多层钢结构厂房设计 结构体系
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
多层钢结构工业厂房设计原则
具体而言，设计多层钢结构工业厂房需要遵循以下几个原则：第一，建筑结构设计的整体化。多层钢结构工业厂房的设计与传统的钢结构建筑设计不同，后者是遵循的是先建筑后结构的原则，而多层钢结构则采用特殊的材料结合先进的设计软件，所以可以实现建筑设计与结构设计的同步完成，即建筑结构一体化设计，采用这种方法可以将建筑风格更完整的表现出来。此外，围护系统与主体结构的设计也要统一进行。第二，优化截面设计。在选择截面时优先选择厚度薄的，因为在用钢量相等的条件下，截面越大刚度也就越大，并且不能忽略相关规范中最小截面的问题；如果屋架杆件角钢的边长需要利用C 级螺栓连接支撑杆件，则要注意螺栓最大直径的选择；此外，为了备料方便，多层钢结构工业厂房所采用的角钢品种、规格最好控制在五种以内，如果两种规格的尺寸比较接近，可以尽量代用统一规格。
二、多层钢结构工业厂房的特点
1、荷载类型多
集中荷载主要包括设备自重, 有时还需要考虑其振动的影响。楼面上还有较大均布荷载。多层厂房的悬挂荷载主要包括安装、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。
2、荷载大
工业厂房的设备一般都在数十吨以上, 楼面活荷载达215~ 20 kN /m2。由于原料堆放以及生产工艺的要求，远大于多层民用建筑的活负载。
3、层高高，柱距布置应与工艺协调。
相对于多层民用建筑，多层工业厂房为了满足工艺要求, 层高比较大，一般为4~ 8 m，如一个4层厂房的高度相当于8层民用建筑；多层钢结构工业厂房内部空间大，柱距多为6~ 12 m, 特殊工艺要求的柱距在18 m 以上。
4、楼面开孔大, 质量刚度分布不均匀。
工业厂房很多大型设备从基础开始上下贯通达十几米甚至几十米, 再加上一些地方由于生产工艺的需要, 往往造成楼面大面积开洞,形成结构上的错层现象, 也造成厂房质量和刚度沿高度分布不均匀, 在地震作用下, 往往可能发生扭转的现象。多层民用建筑的结构多为对称布置, 而对于多层钢厂房, 为满足工艺要求, 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。
5、 施工周期短
与传统的钢筋混凝上厂房相比, 多层轻钢厂房的设计, 生产, 施工趋于一体化, 加之现场无焊接, 无湿作业, 这些都有利于缩短周期, 加快资金流通。
三、多层钢结构工业厂房的设计常用的结构体系
1、具体而言，多层钢结构工业厂房设计的常用结构体系包括以下几种：
第一，纯框架体系，即将厂房无需设置柱间支撑，其纵横两个方向均设计为刚接框架。
第二，框架- 支撑体系，该结构的横向设计为刚接框架，纵向设计则为柱- 支撑体系，其主要目的是通过柱间支撑将水平荷载抵消掉。
第三，钢架加支撑的混合体系，与第一种结构体系不同，钢架加支撑混合体系是将纵向设计为钢架与支撑混合的形式，二者共同作用抵抗水平力。
2、柱网布置与支撑体系
在进行柱网布置过程中需要遵循以下原则：与生产工艺、厂房的正常使用要求相符；保证建筑、结构的经济性与合理性；采用先进的施工方法；与厂房建筑统一化；适应工厂的生产发展与未来的技术革新等。支撑体系中，中心支撑与偏心支撑是最重要的柱间支撑。通常多层钢结构工业厂房最好选择中心支撑，K 型支撑则最好不要用。不过如果厂房处于强震区域，则最好采用偏心支撑，这种支撑形式的延性与耗能能力相对较好。
3、楼盖布置
楼盖的类型包括压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板、装配整体式预制钢筋混凝土楼板、装配式预制钢筋混凝土楼板以及普通的现浇混凝土楼板等。各种楼板形式不同，其优缺点也有所不同：比如压型钢板现浇钢筋混凝土的组合楼板整体刚度相对较好，但是成本也比较高；而压型钢板现浇楼板以及装配整体式预制钢筋混凝土楼板的施工效率比较高。对于多层钢结构工业厂房而言，压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板比较适用。
4、设置变形缝
变形缝主要有三种，即伸缩缝、沉 降缝以及防震缝。如果厂房的长宽过大，外界气温环境发生变化时，结构内部会产生温度应力，该应力可以拉裂墙面、屋面，对建筑结构的正常使用产生影响。而设置伸缩缝即是将厂房分为数个温度区段，可以有效的抑制温度应力对结构的影响。设置伸缩缝时要从基础顶面做起，分开两个温度区段的上部结构，预留相应宽度的缝隙，这样一旦气温发生变化，上部结构也可以沿着水平方自由变形
5、节点构造
钢结构的节点主要有以下几类: 柱与柱的接头、梁与梁的连接节点、梁柱的节点、支撑构件的节点以及柱脚节点等。其中梁柱的刚性节点受力情况相对复杂, 在美国和日本的地震中破坏也最为严重。近年来, 针对以前典型的栓焊连结型梁柱刚接节点的不足, 又出现了以下几种新的梁柱刚接形式: 盖板式节点、托座式节点、狗骨式节点和切缝式节点。对于一般的多层钢结构工业厂房仍可采用典型的栓焊连结型梁柱刚接节点。但在强震区宜使用设计思想先进, 能将塑性铰自梁端外移的狗骨式节点。
6、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。屋盖结构多采用凛条体系, 或轻钢网架或轻型析架加铺轻质保温层和压型彩钢板。
四、使用软件分析结构内力的特点
1、 网格生成平面简化
由于工业厂房的网格布置复杂, 在应用软件时, 完全按实际情况建模会产生大量的近节点, 对分析结果不利。需要利用一些简化手段, 但是同时应注意与实际出入不能太大。
2、利用柱间支撑调整结构纵向周期
柱间支撑不能简单地被看为构造措施, 必须把它作为一种受力杆件输入到模型中, 支撑的刚度直接影响到厂房纵向的周期与水平位移。如果有柱间支撑仍按纯框架模型计算,其结果会偏柔, 低估了地震力, 而且由于纯框架模型侧移大, 柱的用钢量反而比有支撑的模型大。支撑斜杆的两端连接节点虽然按刚接设计, 但由于其承擔的弯矩小, 在模型中支撑构件可按两端铰接模拟。
3、弹性楼板模型的确定
由于工业厂房楼板开洞较大, 且与钢梁间的约束较弱,因而在建模时可将工业厂房的楼板设定为弹性楼板。
4、主次梁节点应设定为铰接点
由于钢梁整体失稳模型为平面外的弯扭失稳, 而且钢梁的抗扭模量很小。若次梁的端部存在弯矩, 该弯矩会对主梁形成扭矩。为了防止主梁平面外的弯扭失稳, 应将主次梁节点设计为铰接。
五、结论
要想完善多层钢结构工业厂房的设计，必须深入构件及其与梁连接节点制造的标准化问题研究。在进行钢构件及与梁连接节点的制造时, 应逐步向标准化方向发展, 从而进一步提高生产效率, 更加充分地发挥钢砼结构的经济效益。多层钢结构的分析方法研究应对由钢结构组成的多层建筑结构体系进行分析和研究, 编制便于实际应用的分析软件和设计软件, 为在实际工程中更为合理地推广应用多层钢结构创造条件。
【参考文献】
[1]陈绍蕃. 钢结构稳定设计指南. 北京: 中国建筑工业出版社, 1996
[2]姚自君,建筑新技术、新构造、新材料北京: 中国建筑工业出版社, 1991
[3]高层建筑钢砼柱中心配筋新思想刘长寿[1] 张国栋[2] 工程抗震- 1997(4).- 10- 14
[4]浅谈多层钢筋混凝土框架结构设计王崇山刁延军华夏星火- 2003(12).- 48- 48