高层钢结构在厂房好不好？_高层钢结构在厂房中的应用

    摘要：结合工程初中，针对钢结构工业厂房的特点，从厂房刚度、柱间支撑、楼板水平支撑及节点设计等几方面进行讨论。　

　1、 工程概况　　

    某铜冶炼厂首次由澳大利亚引进三台澳斯麦物炉（熔炼炉、沉降炉、吹炼炉各一台）集中设置于熔炼主厂房内，由于工艺新颖，流程复杂，室内又有高温热　源，SO2气体腐蚀的影响等，故对厂房结构设计提出了特殊要求，造成结构设计的复杂性。

　熔炼车间平面为矩形厂房，总建筑面积5000㎡，长36m，宽25m，（主跨21m，副跨4m），檐口标高47．20m。

　主跨内设有一台50t/10t重级工作制桥式起重机，轨顶高41．77m，屋面梁下悬挂2台10t电动葫芦，供2台炉子提升氧枪专用。因该厂房楼面活载大部分为30kN/㎡，工艺要求严，柱网不规则，楼层高低相差较大，整个厂房厂房自下而上全是敞开大究竟，没有一个赛事楼层，又位于7度地震区，业主要求工期紧迫，选用其它常用结构形式很难满足要求，因此，采用钢结构比较合理。　

　2、 结构方案的确定　　

   由于受工艺流程配置的要求，采用钢框架结构比较合适。但考虑到整修结构自下而上没有一个比较完整楼层，结构空间刚度较弱，结合收集到国外类似厂房的处理办法，沿厂房四周尽可能设置垂直支撑，室内柱间无障碍物，设备管线布置灵活。这种结构体系的抗侧刚度及稳定，主要取决于梁与柱的连接节点的刚度和延性。　

　3、 高层钢结构厂房刚度的保证　　

    钢结构体系具有很好的延性，这对于抗震是非常有利的，然而要使结构满足使用要求，必须使建筑物有足够的刚度。本建筑物设计主要从计算和构造两方面来保证厂房的刚度。　　

   3．1结构计算方面　

　由于厂房内几乎没有完整楼层，所以其空间工作性能差，设计是按平面框架体系计算，结构的侧向变形按以下几条控制：

（1）在吊车水平横向刹车力作用下，控制厂房柱在吊车梁顶面处横向变位　　≤HT/2000。　　

（2）在风荷载作用下，顶点的侧移不超过建筑物高度的1/500；层间位移不超过楼层的1/400。　　

（3）根据澳方工艺要求标高21．20m处，在风荷　载作用下，最大水平位移不大于35mm。　　

（4）在地震水平力作用下，结构在弹性阶段的层位移，不得超过结构层高的1/250。　　

  3．2结构构造方面　　

   结构构造是结构设计的保证，对结构的关键和薄弱部位，必须加强构造措施。本工程主要从以下几个方面考虑：　

（1） 加强支撑体系，在不影响生产操作的前提下，沿厂房四周设置水平及垂直支撑。　　本厂房高度47m，共分9层，平均层高5．2m，几乎是一般民用建筑的2倍，其中最矮层高3m，最高层高7m，整个建筑的空间工作性能较差，为了加强厂房的刚度及保证结构安装时的稳定性，沿厂房外围增设柱间支撑如图2所示，同时每隔一层楼板，沿厂房外侧设置水平支撑，水平支撑的宽度≥3m。　

（2） 框架梁的侧向支撑：在抗震设计时，在框架节点中，距柱轴线1/10梁跨处，为了防止框架梁在弹塑性状态下的侧向屈曲，在可能出现塑性铰的地方设置铡向支撑构件。本设计分两种情况：A．对于梁上翼缘与楼板相连在一起时，仅设下翼缘受压区的侧向支撑即可；B．对于独立的框架梁应在上下翼缘同时设支撑，常用方法是在互相垂直的两根梁之间设隅撑。　　

 （3） 框架纵横两方向均采用刚性节点。　

（4） 柱脚采用外包式刚性柱脚。 

　4、 框架节点设计　

　节点设计是结构重要组成部分，高层建筑钢结构的节点连接，与其他结构有所不同。当非抗震设防时，应按结构牌弹性受力阶段设计；在抗震设防时，应结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。　

　4．1 梁柱节点设计　　

   梁与柱的工地安装节点最初是设置在柱边，采用铆钉或者螺栓将梁和柱连接在一起，这些连接的共同特点是，工地安装的连接设置在柱节点范围内，是在受力最大部位，节点刚度稍差，为此，本工程梁柱连接的节点定在工厂内完成，将工地安装的节点设置在梁、柱节点范围以外，这样工厂制造的柱子，在节点部位带单面、双面、三面或四面短悬臂，而只在范围内设置工地安装节点。　　

    4．2 梁的拼接设计　

　主梁的工地拼接，根据具体情况分别按如下方法设计：　

（1）抗震设计时，的拼接节点处受弯承载力应高于构件全塑性受弯承载力的1．2倍，拼接点处受剪承载在高于梁受剪承载力的1．3倍。

（2）非抗震设防时，按梁　拼接处的实际内力设计，此时，腹板连接受全部剪力和所分配的弯矩共同作用计算，翼缘边境按所分配的弯矩计算。当接头处的内力较小时应均不小于梁构件全塑性受弯承载力的50%。

主梁拼接目前常用以下三种方案：

　（1）翼缘采用全熔透焊接连接，腹板用磨擦型高强螺栓连接；　

　（2）翼缘和腹板均采用采用磨擦型高强度螺栓连接；

　（3）翼缘和腹板均采用全熔透焊接连接。　

　三种方案各有优缺点，焊接的传力最充分，良好的焊接构造和焊接质量可提供足够的延性，但要求对焊缝进行探伤检查，此外，焊接必然带来残余应力，施工过程受高空、室外条件等不利影响，焊接质量不易保证；高强度螺栓施工方便，但连接或拼接全采用高强度螺栓，会使接头尺寸过大，板材消耗较多，且螺栓不能避免在地震时滑移，影响连接刚度。栓焊混合连接应用起来越普遍，即对受力较大的翼缘采用焊接，而腹板用高强度螺栓，这样质量易保证，但是采用这种连接接头时，施工工艺对连接强度的影响应当考虑，施工我栓高强螺栓60%，然后焊接上下翼缘，再将高强螺栓騬拧100%的办法最好。如采用先栓后焊办法，则因焊接热　使螺栓平均预应力下降10%左右，所以抗剪能力应乘以0．9折减系数。因此，本工程主梁的拼接选用栓焊混合连接　。　

　5、 刚性节点设计应注意的问题　

　（1）刚性节点的构造应尽是与设计假定相符合，受力后节点　产生转动，要求与节点连接各杆件之间夹角保持不变，这是一种理想的假定，实际上节点部位并非绝对刚强，必然有剪切变形，为了减少刚节点的　剪切变形，在设计时采取了一些构造措施，增设加劲板加强节点区刚度。　

　（2）传力可靠，构造简单合理。节点各杆件之间要保证相互传递弯矩、剪力尽可能采用直接传的方式。同时要求构造简单，以达到节省材料的目的。很明显，传力安全可靠与节省材料构造简单往往是有矛盾的，这就要根据负荷大小，节点的重要性，综合考虑后，按具体情况选择合适的节点形式。　

　（3）运输方便，安装的于固定和调整，这也是节点设计昧可忽视的问题。节点的连接部分除柛件的主材外，一般总要增加适当的连接件，连接件越多，制造时其切割下料和拼接焊接时节节胜利量就越大。　　

（4）在同一接头同一受力部位上，不得采用高强度螺栓型连接与承压型　连接混合连接，也不得采用高强度螺栓与普通螺栓混用的连接。　

　6、 需进一步探讨的几个问题　

（1）对钢结构侧向刚要求：我国的高层建筑过去绝大部分是钢筋混凝土结构，一般高度的工程可以满足或超过位移限值要求。近年来随着高层钢结构在我国应用的普及，水平刚度就成为越来越突出的问题。

　据资料介绍，国外对高层钢结构建筑侧移标准要求范围较广，从1/200～1/1000。具体取值需要根据建筑重要性、使用功能、高度、风荷载取值，墙体材料和所的设计方法综合后确定。　

　我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99－98）对于民用建筑提出了要求，但是到目前为止，对于工业厂房（包括高层工业厂房）没有提出要求，作者认为工业建筑除有要求外（例如本工程中要求结构在标高21．20m处，风载作用下水平位移不超过35……）。较民用建筑可适当放宽。　

（2）高层空旷厂房的空间工作性能与各楼层、屋盖及设备平台的水平刚度及吊车的作用有关。设计中如何正确反映其作用是值得研究的问题。