建筑设计师评职范文小议多层钢结构厂房的设计

　　摘 要：众所周知，钢结构有着构件截面小、建筑空间利用率高、自重轻、抗震性能好以及基础造价低等显著优势，并且对环境的破坏小、 材料回收利用率高， 属于绿色节能建筑，因此有着广泛的应用前景。本文首先阐述多层钢结构工业厂房的设计原则，然后分析其一般设计流程，最后提出实例加以说明。

　　关键词： 多层钢结构,工业厂房,设计

　　1. 设计原则

　　多层钢结构工业厂房设计需要遵循以下几个原则：

　　第一，建筑与结构的整体化设计。多层钢结构工业厂房的设计与传统的钢结构建筑物设计不同，后者遵循先建筑后结构的原则，而前者则采用特殊的材料并结合先进的设计软件，以实现建筑与结构两方面的同步完成，即建筑结构一体化设计，其优胜之处是可以将建筑风格更完整的展现出来。比如，能体现建筑立面风格的围护系统可适当参与主体结构的空间性能计算，并与主体结构进行统一设计。

　　第二，优化截面设计。在确定截面时优先选择翼缘或腹板厚度较小的截面，因为在用钢量相同的条件下，厚度越小则截面的形状尺寸会越大，其整体刚度也越大。此时需注意满足相关规范中关于翼缘或腹板最小宽厚比、最小截面的问题。

　　采用螺栓连接时要注意螺栓最大直径的选择。

　　第三，为了备料方便，设计中选用的型钢品种、规格最好控制在五种以内，当两种规格的尺寸接近时，尽量代用统一规格。

　　2. 设计的一般流程

　　2.1选用结构体系

　　目前，多层钢结构厂房在设计上常用的结构体系有以下几种：第一，纯框架体系。即结构上无需设置柱间支撑，纵横两个方向均设计为刚接框架。第二，框架—支撑体系。将结构的横向设计为刚接框架，纵向则设计为柱—支撑体系，通过柱间支撑将纵向水平荷载传递至基础。第三，刚架与支撑的混合体系。该体系的结构横向仍然为刚接框架，纵向则为刚架与支撑混合的形式，二者共同作用以抵抗水平力。设计人员可根据实际情况，如建筑外形、荷载条件等选用结构体系。

　　2.2布置柱网与支撑体系

　　柱网的布置首先应符合生产工艺、建筑功能及正常使用这三项基本要求，在此基础上，力求使方案满足建筑、结构设计上的经济性与合理性。有经验的设计人员，还会综合考虑诸如建筑结构设计的一体化、采用先进的施工方法、适应工厂的生产发展与未来的技术革新等因素，使布置方案更具“人性化”。

　　支撑体系在钢结构设计中是必不可少的部分。按布置方式可分为竖向支撑、水平支撑和斜向支撑，柱间支撑属于竖向支撑。在柱间支撑中，中心支撑与偏心支撑是两种主要的形式。通常多层钢结构厂房较多采用中心支撑，如“X”型、“V”型或“∧”型，抗震设防时则不应采用“K”型中心支撑。当厂房处于强震区域时，采用偏心支撑能在支撑与柱之间或在支撑与支撑之间形成耗能梁段，这种支撑形式的延性与耗能能力相对更好。支撑体系是结构重要的抗侧力体系，设计上必需引起重视。

　　2.3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。每种形式的楼板有其自身的特点，比如组合楼板或楼承板整体刚度好，但成本较高，而装配整体式预制钢筋混凝土楼板的施工效率高。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。

　　2.4设置变形缝

　　变形缝主要有伸缩缝、沉降缝以及防震缝三种。各种缝尽量综合起来，做到“一缝多用”。以伸缩缝为例，如果厂房的长宽尺寸过大，当外界环境温度发生变化时，结构体系会由于内外温差产生不可忽略的温度应力，该应力甚至能拉裂墙面板、屋面板和工艺管道。若合理地设置伸缩缝，可将厂房分为数个温度区段，一旦发生温度变化，上部结构将沿着相应方向自由变形，从而有效释放温度应力，避免对建筑或结构的正常使用产生不利影响。设置伸缩缝要从基础顶面做起，把上部结构彻底分开，预留相应宽度的缝隙，并用柔性防水材料封盖。

　　3. 结构内力电算分析要注意的问题

　　随着计算机软件技术的不断进步，目前已开发出许多实用、高效、精确的结构计算软件。利用软件进行结构内力分析时要注意以下几点。

　　第一，网格生成的平面简化。对于网格布置比较复杂的工业厂房而言，如果完全根据实际情况利用软件建模，则会产生大量的近节点，从而影响计算效率和结果分析的准确性，因此在与实际情况出入不大的前提下采取相应的简化手段来建立合适的模型。

　　第二，柱间支撑并不是简单的构造措施，在软件分析时其属于一种受力杆件，并且厂房纵向周期与水平位移均受支撑刚度的直接影响。如果结构中设有柱间支撑，但却采用纯框架模型分析，则无法保证地震力评估的准确性。另外，纯框架模型的侧移相对较大，由此算得的柱用钢量有可能会大于有支撑的结构计算模型所得结果。

　　第三，通常工业厂房都有较大的楼板开洞，楼板和钢梁间的约束相对较弱，建模时可设定为弹性楼板。

　　第四，钢梁的抗扭模量比较小，在软件分析过程中，钢梁平面外的弯扭失稳将成为整体稳定性验算的决定因素，采用铰接的方式设计主次梁节点，可避免出现钢梁整体失稳的现象。

　　4. 工程设计实例

　　某工程为多层钢结构厂房，总建筑面积约4000m2，首层高4.4m，二层标高 12m，局部两层为7m 与16m，局部一层为 10.5m，夹层层高4.5m，建筑总高度22.2m。为满足生产设备的承重要求，厂房四周设置4根箱形柱，柱距纵向5-11m，横向4-15m;为节约建设成本，箱形柱12m以上采用工字型截面柱，其余框架柱也为工字型柱。屋面采用薄壁C型钢檩条，墙面外挂夹芯板;为降低成本，楼面采用普通现浇混凝土楼板。

　　具体设计过程如下：首先进行荷载计算，该厂房所处环境的基本风压为0.3 kN/m2，地震烈度7度，地震加速度 0.1g，阻尼比 0.35，限于篇幅，此处略去计算过程。接下来确定荷载工况，该工程要将 X 方向的地震力作用与风力作用、Y 方向地震力作用与风力作用、以及恒载作用与活载作用下的标准内力考虑进来。利用STS空间建模，Satwe 软件完成框架杆件的强度和稳定、自振周期和节点强度等计算。

　　对计算结果进行分析可知，结构水平方向的主要振型没有明显的突变，说明结构沿高度方向的质量与刚度的分布是合理的。除了受主要设备集中力作用的8根柱子采用箱形截面外，其余框架柱、梁均采用焊接工字形截面，柱间支撑为双槽钢中心支撑。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%以内，构件的强度、刚度、稳定性以及各类节点验算均符合规范要求。

　　5. 结 语

　　近年，随着我国经济建设的迅速发展，多层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。本文总结了多层钢结构厂房的一些设计方法及结构特点，抛砖引玉，为今后类似工程的推广与应用提供有益的经验。

　　参 考 文 献：

　　[1] 钢结构设计手册(第三版)，中国建筑工业出版社，2004

　　[2] 张海玲，多层钢结构工业厂房设计问题分析，《科技致富向导》，2011(9)

　　[3] 张兴玉，多层钢结构工业厂房设计与实例，《科技与生活》，2010(9)

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