某重型钢结构厂房设计

郑 聪

厦门华旸建筑工程设计有限公司（361004）

某重型钢结构厂房设计

郑 聪

厦门华旸建筑工程设计有限公司（361004）

该工程为带有多层行车的重型钢结构厂房，竖向构件采用钢管混凝土格构柱+H型钢柱，屋面采用变截面钢梁。这里主要介绍该工程的结构设计思路、构造要求、计算依据和结果，还对钢管混凝土格构柱的设计做了较深入的阐述并对其经济性提出了一些看法。

钢管混凝土格构柱；构造要求；计算依据；经济性

1 工程概况

该工程为光伏光电装备项目生产厂房，其建筑面积约7万m2，左侧为混凝土附房，右侧为单层重型钢结构厂房。

单层钢构厂房纵向长度为300 m，横向宽度为180 m，其中高跨部分60 m（两跨），低跨部分120 m（五跨），各柱跨依次为30 m+24 m+18 m+24 m+ 24.75 m+30 m+30 m。高跨部分为三层吊车厂房，上层布置多台200 t及150 t吊车，工作级别为A5，轨顶高度为18 m；中层布置100 t及50 t吊车，工作级别为A5，轨顶高度为12 m；下层局部布置有5 t半龙门吊。低跨部分为双层吊车厂房，上层布置多台100 t、75 t、50 t和30 t吊车，工作级别均为A5,轨顶高度为12 m;下层局部布置有5 t半龙门吊。具体如图1所示。

2 结构体系

该工程所在地为非采暖地区，按照《钢结构设计规范》表8.1.5，厂房纵向温度区段长度控制值为220 m,横向温度区段长度控制值为120 m(柱顶为刚接)。

厂房纵向长度为300 m，需在中部设一道温度缝，横向宽度为180 m，其中低跨部分120 m,高跨部分60 m。考虑到高低跨对温度应力的释放作用，且低跨120 m未超长，故仅构造上加强，不设温度缝。加强做法如下:1）对边柱的应力进行适当控制，使其上阶柱(型钢柱)应力比不大于0.9；2）梁节点设计时，轴拉力设计值增大10%，以加强屋面梁连接节点。

厂房屋盖在两端及1/3温度区段处布置横向水平支撑及柱间支撑,纵向则隔跨布置纵向水平支撑，且高跨和低跨按各自的标高与横向水平支撑组成相对独立的封闭支撑体系。

图1 布置图

3 钢管混凝土格构柱的选用

3.1 钢管混凝土柱的特点

由于钢管对其内部混凝土的约束作用，在轴压力作用下，钢管混凝土柱内部混凝土处于三向受压状态，不但提高了钢管混凝土柱的抗压承载力，具有较好的塑性变形能力，而且在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。

与普通钢柱相比，钢管柱柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造，但是钢管内部特别是节点处混凝土的密实性比较难以控制。

从观感上看，钢管混凝土格构柱比型钢格构柱更美观。

3.2 经济性比较

该工程初设时，对钢管混凝土格构柱和型钢格构柱的经济性作了比较，在不同柱距下的材料用量详见表1。从不同柱距的结果来看，当柱距增大时，主体用钢量先降低再增长，而吊车梁用钢量保持上升趋势，且幅度较大，导致总用钢量先缓慢降低再迅速增长，管桩的用量则由于柱子数量的显著减少而降低；从不同材料来看，钢管混凝土柱的抗压性能比较好，随着柱距增大，其性能优势渐渐得到发挥，其经济性也逐渐得到体现。

表1 不同柱距下的材料用量

由于该工程低跨部分吊车吨位较小，从整体考虑，钢管混凝土柱的经济性优势并不显著，但考虑到美观及施工等原因，结合上部用钢量和基础造价进行比较，最终选用柱距为9 m的钢管混凝土格构柱。

4 刚架构造要求及依据

4.1 型钢柱、梁板件宽厚比控制

抗规9.2.14.2条规定:轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限制，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值（注:腹板的宽厚比可通过设置纵向加劲肋减小）。

抗规9.2.14.2条文说明规定:

C类定义:当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力（2倍多遇地震作用下的要求）时，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值，即C类。

C类宽厚比要求:C类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况。

从以上条文可知，该工程可以按照C类截面要求进行性能化设计，其中耗能区段可以参照抗规9.2.11条文说明对刚架梁端最大应力区的规定，取距梁端1/10梁净跨和1.5倍梁高中的较大值。

4.2 钢管混凝土格构柱设计

目前，有关钢管混凝土格构柱设计的主要参考规范为:①《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、②《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28: 2012）、③《钢—混凝土组合结构设计规程》（DL/T 5085-1999），其中《钢结构设计规范》仅对钢管结构的构造与钢管杆件的计算提出了要求（格构柱缀件构造与计算）。

4.2.1 材料要求

该工程采用的是螺旋焊接管，螺旋焊接管常用规格如下:D219×6～8，D273×6～8，D325×6～8，D377 ×6～10，D426×6～10，D478×6～10，D529×6～10，D630 ×6～10,D720×6～12等。

在材料上规范③的6.2.4条明确提出,钢管内混凝土的强度等级不宜低于C30，可参照下列材料组合:Q235钢配C30或C40级混凝土；Q345钢配C40、C50或C60级混凝土；Q390配C50或C60级以上的混凝土。同时，构件截面的套箍系数标准值不宜小于0.5。

4.2.2 钢管构造

1）在外径与壁厚之比d/t及壁厚等构造上,各本规范有不同的规定:规范①规定d/t不应超过100（235/fy）；规范②规定d/t限制在（20～135）235/fy之间，且外径不宜小于200 mm，壁厚不宜小于4 mm；规范③规定d/t限制在20～100（注意无强度调整,即含钢率控制在0.2～0.04）之间，且外径不宜小于100 mm，壁厚不宜小于4 mm。该工程设计时结合三者，控制d/t不应超过100（235/fy），且主管(带混凝土)壁厚不小于4 mm。

2）规范③6.4.10条规定了格构式柱腹杆的形式及构造，本工程所采用的是斜腹杆格构式柱，主要要求如下:

①斜腹杆与柱肢轴线间夹角宜为40～60度；②杆件轴线宜交于节点中心；腹杆轴线交点与柱肢轴线距离不宜大于d/4,当大于d/4时，应考虑其偏心影响；③腹杆端部净距不小于50 mm。

4.3 其他构造要求

4.3.1 分离式柱子

当吊车吨位在75 t及75 t以上时，不适合采用牛腿来支承吊车梁，宜在下层吊车梁下设单独的吊车肢。

4.3.2 钢吊车梁的材质要求

《钢结构设计规范》3.3.4条规定吊车起重量不小于50 t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。

4.4 工程采用的刚架及部分节点大样

1）考虑到荷载较小,该工程采用双肢格构柱，钢管柱材质为Q345B,钢管柱缀条采用Q235B,钢管柱柱肢内均浇灌微膨胀C40混凝土,刚架详图如图2。

图2 钢架详图

2）施工方法采用泵送顶升浇灌法,在钢管接近地面的适当位置设灌注孔，钢管内混凝土必须一次性连续浇灌完毕,一定要保证密实,待混凝土强度达到设计要求后,再将灌注孔、排气孔等补强补焊。灌浆孔进料管详图如图3。

3）考虑到结构经济性及施工便利性，钢管柱采用插入式柱脚与杯口基础连接。

图3 灌浆孔进料图

5 刚架计算

1）柱顶位移要求

《钢结构设计规范》附录A.2.1“在风荷载标准值作用下，框架柱顶水平位移和层间位移不宜超过下列数值:有桥式吊车的单层框架的柱顶位移≤H/ 400”。

2）行车水平荷载作用下的侧向位移

《钢结构设计规范》没有关于中级工作制行车钢结构厂房的在行车水平荷载作用下侧向位移的限值要求，根据经验，在满足行车正常运行的前提下，按平面结构图形计算，吊车梁顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范）所产生的计算变形值，不宜超过下述容许值:

100 t行车1/850

150 t及以上1/1 250

3）挠度要求

屋面梁挠度限值取1/250，主要考虑重型吊车的原因，对屋面的刚度做适当加强。

4）长细比要求

构件长细比按照《钢结构设计规范》表5.3.8及表5.3.9要求,其中重型吊车以下柱间支撑的长细比按拉杆计算，且不考虑压杆的卸载作用。

5）该工程刚架计算

采用PKPM软件进行刚架计算时，需注意图中所示的应力比为构件考虑长细比影响的整体承载力折减系数,及偏心影响的整体承载力折减系数后，其作用轴力与整体承载力的比值。在此比值满足要求的同时，尚应确认单管作用力与承载力的比值满足要求，易出现整体计算满足要求而单管轴压比超出的情况。

6 结论

目前该工程已投入使用，实践证明，在工艺允许时，通过优化柱距，协调主体及吊车梁的用钢量，结构可以取得最佳的经济性；当吊车吨位、柱距较大时,钢管混凝土柱的抗压性能可以得到充分发挥，此时结构亦可以取得较佳的经济性。

参考资料:

[1]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[3]CECS 28:2012,钢管混凝土结构设计与施工规程[S].

[4]DL/T 5085-1999,钢—混凝土组合结构设计规程[S].

[5]CECS 102-2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].