大型鋼結(jié)構(gòu)廠房是一種常見的廠房類型，針對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)應(yīng)該從哪些方面入手呢？
對(duì)于這類廠房，對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點(diǎn)普通是荷載較重，柱距大，柱網(wǎng)不規(guī)則，隔墻少，層高高，結(jié)構(gòu)空曠，且樓面開孔多，廠房?jī)?nèi)設(shè)備的布里對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大，因此，在設(shè)計(jì)初期綜合考慮并選擇安全經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案極其關(guān)健。
1 鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)
隨著近年來鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，和普通鋼筋混凝土廠房相比，鋼結(jié)構(gòu)廠房?jī)?yōu)勢(shì)越發(fā)突出:
1)自重輕，可減輕建筑物質(zhì)量的30%，特別在地質(zhì)承載力低和地震烈度較高的地方，其綜合經(jīng)濟(jì)小于優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。
2)布置靈活，開間大，可提高建筑實(shí)用面積3%~5%。
3)可以工廠化批量生產(chǎn)，施工簡(jiǎn)單，安裝快捷，大大縮短施工周期。
4)據(jù)研究，多層鋼結(jié)構(gòu)體系屬于環(huán)保型綠色建筑體系，其節(jié)能指標(biāo)可達(dá)50%。
以上特點(diǎn)使鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用越來越廣泛，在多層工業(yè)廠房中的應(yīng)用也日記增多?，F(xiàn)在就以一個(gè)兩層紡織廠房為例談一些粗淺的看法。
2工程特點(diǎn)
該兩層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，柱網(wǎng)為12m x8.3 m,層高7m，結(jié)構(gòu)空曠，層，基本無隔墻，樓面開孔很多，部分樓層沒有鋪板，為全房間洞口，樓面活荷載8.0 kpa，部分樓面還需考慮檢修設(shè)備的堆載。在二層樓面上布置了幾臺(tái)大型設(shè)備，比較重，其余樓面上也有很多中小型設(shè)備，設(shè)備間以管道連接。整個(gè)廠房?jī)?nèi)設(shè)備和管道數(shù)量眾多，樓面上需預(yù)留的孔洞相當(dāng)多，給樓層平面布置造成了很多困難。該廠房柱子的豎向荷載很大，最大的達(dá)到3000 kn，柱子全部采用焊接h型鋼制作，框架梁與次梁大部分采用軋制h型鋼，僅二層支撐大型設(shè)備的幾根框架梁采用焊接h型鋼制作。樓面采用在壓型鋼板上澆筑混凝土形成的組合樓板。
3 設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題
3.1 大型設(shè)備的布置
廠房?jī)?nèi)大型設(shè)備的布置對(duì)確定柱網(wǎng)起著決定性的作用，同時(shí)也限制了支承梁的翼緣寬度。由于大型設(shè)備荷載大，重心高，而支撐點(diǎn)接近設(shè)備的底部，位于二層樓面，地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的傾夜力矩，對(duì)支承梁的受力非常不利。因此需要在設(shè)備的外圍設(shè)置四根柱子，讓四根柱子的中心線與設(shè)備的中心線重合，并盡量使支承梁與柱子直接連接成框架梁。這樣布置傳力直接，對(duì)于承受豎向荷載也非常有利口為了支承梁能有效地抵抗扭矩，應(yīng)將設(shè)備的固定螺栓布置在梁腹板外側(cè)，這就要求支承梁的翼緣寬度不能太大，否則無法保證預(yù)留洞的尺寸。另外，在輸人設(shè)備的荷載時(shí)，應(yīng)該考慮由于地震產(chǎn)生的傾覆力矩而增加的荷載。這部分荷載是計(jì)算機(jī)程序無法考慮的，需要人工加以千預(yù)。其他中小型設(shè)備也影響著結(jié)構(gòu)布置，必須全面加以考慮。總之，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)該同工藝設(shè)備專業(yè)密切配合把柱網(wǎng)確定好。必要時(shí)請(qǐng)工藝專業(yè)適當(dāng)調(diào)整設(shè)備的位置，以滿足結(jié)構(gòu)布置的需要。
3.2 結(jié)構(gòu)類型的選擇
對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，通常采用的結(jié)構(gòu)形式有三種。第一種為框架一支撐體系。即橫向設(shè)計(jì)成剛接框架，柱子與框架梁為剛接;縱向設(shè)計(jì)成柱一支撐體系，柱子與框架梁為鉸接，用柱間支撐抵抗水平荷載。第二種為純框架體系。把廠房縱橫兩個(gè)方向都設(shè)計(jì)成剛接框架，不設(shè)置柱間支撐。第三種結(jié)構(gòu)形式為鋼架加支撐的混合體系，在工業(yè)廠房中用的也較多。它綜合了前兩種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn).把縱向設(shè)計(jì)成鋼架和支撐混合的型式，僅在廠房外側(cè)設(shè)置柱間支撐，靠?jī)烧吖餐挚顾搅?。由于柱間支撐抵抗水平力的效果很好，減少了柱子的縱向彎矩，可采用工字型截面柱，但截面寬度較大。采用這種結(jié)構(gòu)型式，需要有較大的樓層剛度，最好是采用鋼筋混凝土樓面，以保證整體空間剛度，否則柱子間的變形不協(xié)調(diào)，無法充分發(fā)揮柱間支撐的作用。本廠房就采用了第三種結(jié)構(gòu)型式，即鋼架加支撐的混合體系，為了增加樓層剛度，在廠房的每個(gè)樓層內(nèi)均因地制宜地設(shè)置了橫向和縱向的水平支撐。
3.3 組合樓板對(duì)次梁的影響
樓層平面梁格的布置主要受設(shè)備影響，并受到組合板跨高比限制，以防止板撓度過大而影響正常使用，讓人產(chǎn)生不安全感。在考慮組合板對(duì)于梁的作用時(shí)，因組合板只是覆蓋在梁上，對(duì)梁沒有形成效的側(cè)向支撐，這樣應(yīng)按跨中無側(cè)向支撐的情況來驗(yàn)算梁的平面外穩(wěn)定。所以，即使是受荷較小的次梁也宜采用平面外穩(wěn)定性好的軋制h型鋼，而不宜采用穩(wěn)定性很差的普通槽鋼。
3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的注意事項(xiàng)
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計(jì)手段已經(jīng)發(fā)生變化，應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性大大提高，繪制施工圖的工作量降低，設(shè)計(jì)人員可以把大部分的精力投人到制定方案和受力分析中，使設(shè)計(jì)出的構(gòu)件經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)該廠房時(shí)，采用了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件sts，配合satwe程序，完成建立結(jié)構(gòu)模型，輸人荷載到空間整體受力分析和桿件截面驗(yàn)算。
①在內(nèi)力分析時(shí)主要注意以下幾點(diǎn):網(wǎng)格生成平面簡(jiǎn)化。由于工業(yè)廠房的梁格布置復(fù)雜，在應(yīng)用軟件時(shí)完全按實(shí)際情況建立模型會(huì)產(chǎn)生大量的近節(jié)點(diǎn)，對(duì)分析結(jié)果不利。需要采用一些簡(jiǎn)化手段，但是不能與實(shí)際出人太大，否則就失去了計(jì)算的價(jià)值;
②利用柱間支撐簡(jiǎn)化立面網(wǎng)格。對(duì)于柱間支撐的作用，不能簡(jiǎn)單地看成是一種構(gòu)造措施，必須把它作為一種受力桿件輸人到結(jié)構(gòu)模型中。因?yàn)橹蔚膭偠戎苯佑绊懼鴱S房縱向的周期和水平位移，即它對(duì)廠房縱向抗側(cè)移剛度的影響很大。柱間支撐對(duì)其兩側(cè)的柱腳會(huì)產(chǎn)生不利影響，在某些荷載組合中，柱腳錨栓會(huì)出現(xiàn)上拔力，柱腳剪力也比其他柱腳增加很多;
③柱間支撐桿件模型的確定。廠房的柱間支撐多采用剪刀撐?？梢栽O(shè)計(jì)成拉桿，也可以設(shè)計(jì)成壓桿，根據(jù)需要選擇。按拉桿設(shè)計(jì)時(shí)程序會(huì)給出強(qiáng)度驗(yàn)算不足的提示，這是由于程序無法把支撐處理成單拉桿所致。但是不會(huì)產(chǎn)生影響到結(jié)構(gòu)空間受力分析的結(jié)果。設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)桿件的拉力用筆算的方法驗(yàn)算桿件強(qiáng)度，如果柱間支撐設(shè)計(jì)成壓桿，可直接利用程序的驗(yàn)算結(jié)果;
④彈性樓板模型的確定。程序tsat-we采用了更為先進(jìn)的算法，完全可以拋開樓層約束作用不大的情況采用彈性節(jié)點(diǎn)加以處理。本工程設(shè)計(jì)中由于樓層內(nèi)設(shè)置了水平支撐，可以近似地采用樓層水平剛度無限大的假設(shè)，也可采用彈性節(jié)點(diǎn)的處理方法，從程序計(jì)算的結(jié)果來看二者差別不大，說明樓層內(nèi)水平支撐的效果較好，可以協(xié)調(diào)住的變形。
3.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的原則首先是安全，其次是經(jīng)濟(jì)，并且應(yīng)該與施工安裝水平相一致。在廠房中最重要的節(jié)點(diǎn)是框架與柱的連接節(jié)點(diǎn)。按連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和連接構(gòu)造之間的關(guān)系劃分為剛性連接，柔性連接和半剛性連接。目前用的最多的節(jié)點(diǎn)是剛性連接和柔性連接，半剛性連接使用的較少。對(duì)于節(jié)點(diǎn)的安全性。通常包含強(qiáng)度和延性兩個(gè)方面。延性好的節(jié)點(diǎn)在地震作用下的變形能力強(qiáng)，不會(huì)發(fā)生脆性破壞，是一種理想的節(jié)點(diǎn)形式。半剛性連接節(jié)點(diǎn)，尚沒有適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型應(yīng)用受到了限制。柔性連接能傳遞軸力、剪力和很小的彎矩，可以近似看成是鉸接。剛性連接節(jié)點(diǎn)大體上有三種類型:全焊接連接、栓焊混合連接和全螺栓連接。全焊接連接的節(jié)點(diǎn)，梁的翼緣和腹板全部采用焊縫連接在柱子上。通常情況下，翼緣必須采用開剖口的熔透焊縫連接，腹板可以采用開剖口的熔透焊縫.也可以采用角焊縫連接。這種節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，節(jié)省材料，成本低，缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)焊接量大，高空施焊條件不好時(shí)對(duì)質(zhì)量影響較大;栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)的翼緣采用熔透焊縫連接，腹板采用高強(qiáng)螺栓連接。這種節(jié)點(diǎn)與全焊接節(jié)點(diǎn)的特性相似，缺點(diǎn)是前期制作量較大，用的材料較多，成本較高;全螺栓連接節(jié)點(diǎn)梁的翼緣和腹板全部采用高強(qiáng)螺栓連接。這種節(jié)點(diǎn)延性好，適用工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接少，缺點(diǎn)是成本高，前期制作量大。目前這種節(jié)點(diǎn)在框架中用的不多。