工业厂房钢结构体系设计思路

一、概述

伴随着国内钢铁产业飞速发展的势头,我国钢材的产量不断提高,质量也在不断上升,然而其价格却在不断下降,钢材价格的下降也导致了钢结构价格的大幅度下降。采用钢结构建设的厂房建设的周期相当短,投入生产效率高,资本回收速度快。这种厂房结构性能优越、经济效益良好,在企业厂房建设中受到欢迎,成为现代企业厂房建设中的首选。

行业之间存在很大不同,依据对工艺条件要求的差异可以设置不同形态的厂房立面和平面布置,因此,它们的结构体系大不一样。工业厂房结构类型尽管存在差异,但总体而言具有以下相同点:第一,钢结构柱子高、跨度大、吊车设备起重量高。为了使荷载的传递吨位较大,结构刚度够大,采用较厚的钢板能够使得承重构件增大截面。为使材料用量有效降低可以采用较多的格构式构件。第二,相比其他的钢结构建筑,在生产过程中钢材的损伤和磨损能够直接影响结构尺寸的确定。第三,工作制不同,厂房中吊车的设置有差异,设计中的重点内容都为疲劳损伤方面的设计。

二、工业厂房钢结构设计的现状

在进行结构设计之前,首先要布置厂房的结构体系。建筑物的安全、经济、使用、美观程度源于结构形态的优劣,因此,要想使建筑设计的更优秀就要从改善建筑设计上入手。结构形式的差异使得动、静力学有不同的特性,确定了结构形式,就相当于从宏观角度决定或控制整体的结构形态以及整体的结构刚度、强度、抗震能力、经济性能、延性、社会性能以及抗风能力等各种性能。如果在选择结构性能时出现偏差,哪怕进行了再准确的部件设计,也难以使得设计的效果令人满意。

长期以来,我国劳动力过剩,钢材的供应相对不足。正是由于这种特点的存在,钢筋混凝土被普遍用于我国厂房的装配式结构。这种结构在实践过程中体现出很多优点:构件工厂化、统一化,钢材得到节省,可以通过现场预制大型的构件,使劳动条件得到改善,高空作业得以减少。可是市场经济在发展过程中使我国钢材的产量不断提高的同时也表现出了这种结构的缺点:预埋件多、造价高、设计以及施工的周期相对较长、节点较复杂。所以,在厂房结构中也不断减少了装配式混凝土的应用。取而代之的是钢结构,钢结构相比于混凝土有许多优点:环保、自重轻、抗震性强、工厂化程度高。钢结构不断发展,采用钢结构建造的厂房也不断增多,这在发达国家体现尤为突出,我们也在这方面逐渐开始采用钢结构。

三、工业厂房钢结构体系的设计原则

钢结构建设的厂房建设的周期相当短,投入生产效率高,资本回收速度快。这种厂房结构性能优越、经济效益良好,工业企业在企业厂房建设中应该广泛采用这种结构,使其成为现代企业厂房建设中的首选,在设计时首先要进行厂房结构的设计。综观国内外的研究文献我们发现了厂房在进行结构设计时应该遵循以下原则:第一,工业厂房在部件构成上采用互不影响、较短的以及自身坚固的构件;第二,构件荷载承受能力强,不应划分多个体系,来使得传力明确,使设计更加简单;第三,在选取结构时,应该考虑支座沉降、温度应力的敏感度,对于较敏感的尽量选择静定结构,降低对超静定结构的选用,这样能够缩小支座沉降、温度应力对结构的消极影响;第四,为应对特殊荷载的出现,应选择刚度水平较大的支撑系统和吊车梁的设置。

四、工业厂房结构体系分析

我国通常设置单层的工业厂房,多采用屋面联合和横、纵向构架结构体系,将结构体系分解为纵向受力体系和水平受力体系,以使分析工作便于进行。

1、水平受力体系

我国早期厂房建设多运用钢筋混凝土,钢筋混凝土的坚固性相对较差,为此,要想加固屋盖系统的刚度,常在厂房周边设置垂直纵向支撑和水平上下弦支撑,这样大大增加了材料的使用量。相关资料统计:屋盖跨度26米,平面桁架分别为6米、9米和12米,耗费在支撑系统上的钢材为总量的18%、36%和46%,这使材料耗用量很高。空间网架广泛应用于工业厂房屋盖系统。该网架结构整体性好、稳定性强、刚度大,网架的杆件作为支撑,使材料得以利用充分。

厂房工程单层时,吊车轨顶的二层标杆为16米,传统方案的采用下屋架比钢梁高,为使厂房获得同样净高,必须要做到:保证厂房高度增加,加大厂房宽度。厂房高度的增加使得风荷载增大,水平位移受到厂房吊车影响,必须使水平荷载的消极影响降低。单层背景下,工程缩小了屋面的活载和恒载,钢板的使用减小了钢梁的高度。这样不但使劳动力得以节省,工期得到缩短,空间效果变好,而且免去了更加繁琐的构件吊装。

2、纵向受力体系

横向以及纵向框架构成了单层钢结构厂房的纵向受力体系。该体系的差异主要源自支撑布局方式和节点的构造,依据柱角构成的特点、梁柱上各个节点的接连方式可以将横向框架的结构划分为四大类。第一类缺乏柱间的支撑,大量有效空间存在于厂房中,厂房内存放的设备可以自由布置,柱间支撑的缺乏造成水平荷载的抵抗能力较差,使得出现较大尺寸的梁柱截面,满足此条件的节点要求较高的技术。在相对特殊的工艺存在时可以选择此类结构体系,但小型钢材料厂房不宜使用。第二类和第三类结构为保证稳定性以及侧向力的抗拒需要加入支撑杆件,它需要一定空间,尽管可能对工艺布置产生影响,但是这种构造相对简单,极方便加工制作,使得安装的结构比较简单,吨位小的吊车厂房适合此种结构。第四类结构既有节点连接又有支撑,使得结构得以稳定,侧向力抵抗性强,刚度很大,主要用于钢结构厂房的建设。

按照相同的划分依据,可以将纵向体系划分为三大类:第一类是支撑体系,其有横向和纵向两种设计,横向为刚接架构,纵向为柱支撑,这种类型的水平荷载能力较强,但是可能在使用中会受到影响。第二类是纯架构结构体系,它将厂房的横向和纵向设计成以钢为主的连接结构,没有设置支撑。刚硬的架构承担了水平力,达到了无支撑、工艺布局简单的优点,这使得节点的连接相对比较复杂,柱子有较大的截面,较小的抗移动能力。当厂房有较大跨度和高度时,有较大的用钢量,这种类型在有较大荷载以及震动状态持续时不适用于厂房建设。

我国国内钢铁产业近年来出现飞速发展的势头,钢材的产量依然在不断提高,质量也在不断上升,可是价格却在不断下降,钢材价格的下降也导致了钢结构价格的大幅度下降。钢结构建设的厂房建设的周期相当短,投入生产效率高,资本回收速度快。这种厂房结构性能优越、经济效益良好,工业企业在企业厂房建设中应该广泛采用这种结构,使其成为现代企业厂房建设中的首选,这样能够很好地保证我国工业企业厂房的质量,在厂房的建设设计中严格按照厂房设计的原则,努力实现钢结构厂房在我国的普及。