某大型轻钢厂房的钢结构设计

摘 要：阐述了某大型轻钢厂房对纵横向温度伸缩缝的处理方案、支撑布置方案、18m柱距处，屋面、墙面结构的设计，以供设计人员参考。

关键词：大型轻钢厂房；伸缩缝；支撑布置

1 引 言

某工程为单层门式刚架轻型钢结构厂房，成L形，长531m，最宽处204m，建筑总面积为98334m2。柱距为9m，最大柱网为18×30m，屋面檐口标高为10.6m，局部高屋面檐口标高为26m，屋面采用单脊双坡的形式，坡度为4%。该工程设计的难点在于纵横向温度伸缩缝的处理、支撑的布置和形式、18m柱距处，屋面、墙面结构的设计。

2 纵向温度伸缩缝的处理

按照规程[1]规定本工程纵向长531m，横向最宽204m，均已超出规程要求。因此，如何解决温度伸缩问题是本工程设计时首先要解决的问题。通常情况下，经常采用设置双排柱方式，将结构分为两个部分，如此每个部分的纵向长度均小于规程所规定的温度区段长度。但该做法需增加一榀框架，既增加了造价又不美观亦不利使用。结合建筑师的要求，该工程不能采用双柱方式，仍然要求采用单柱方法。从温度释放原理上来说，只要结构有一定活动空间，就不会产生温度应力。例如采用螺栓连接的刚接刚架其温度应力明显小于采用焊接方式的刚架。同理，本工程也可以采用类似方法，模仿抗風柱与刚架梁连接采用椭圆孔连接方式。选取某一榀作为分界点，保证两边纵向方向长度均小于规范要求温度区间长度。将一边所有与分界点处刚架连接的构件全部采用椭圆孔连接。这些连接构件主要包括檩条、墙梁、吊车梁等构件，特别注意的是墙面板和屋面板的连接节点也应做相同的处理。通过设计计算对所有构件的长圆孔孔长均取70mm。

3 横向温度伸缩缝的处理

横向温度伸缩与纵向伸缩缝相同，但处理的方案略有不同。纵向方向上经常采用的设置双柱双基础的方式，在处理横向温度缝较少采用。这种方式增加了一排柱列而不是一榀刚架，从用钢量和结构总造价上来说，显然难以接受。其次，可以采用与纵向温度缝一样方式，通过设置椭圆孔连接，但是这种方式增加了水平支撑，同时刚梁的截面变化较大，生产制作成本增加较多，也不宜采用。综合考虑各种方案，且满足建筑师的要求，最后采用温度应力计算方式，这样会导致刚架柱的下柱用钢量有一定的增加，但不会增加生产制作成本。

在内力分析时，对于刚架在温度荷载作用下的内力计算采用3D3S软件进行计算。通过计算可知：温度应力在刚架柱应力中所占的比例依次为16%，13%，11%，5%（由边柱到中柱），温度应力对刚架的影响比较大的。虽然门式规程认为门式刚架横向宽度小于150m时可不考虑温度应力，但实际上当刚架横向宽度接近150m的时候对某些刚接刚架的边柱实际温度应力可达到15%左右，设计中应该注意。

为进一步减小温度应力，在围护上也采取了相应措施，将单坡屋面板沿纵向设置一道温度伸缩缝。

4 支撑体系

通过上述温度伸缩缝的处理，实际上已将整个厂房分成了两块，对左右两块按间距不宜大于60m布置一道屋面水平支撑，每块各布置了七道屋面水平支撑。同时，在与屋面水平支撑相同的柱间设置柱间支撑，考虑到便于温度应力的释放，取消每块端部柱间设置的下柱支撑。在与屋面水平支撑相同的柱间设置柱间支撑，局部高屋面上设置横向、纵向水平支撑，且低屋面与高屋面相邻的四周，低屋面开间上增设水平支撑，如图1所示。

轻型门式刚架有两个特点：①围护采用压型钢板，屋面、墙面面板紧紧的联系在一起，形成一定的蒙皮效应，蒙皮效应对于结构的整体性及稳定性提供了重要作用；②轻钢厂房屋面荷载较小，刚架构件轴向方向上较长导致线刚度较小，次构件与主构件相比有较大的相对刚度。但本工程刚架构件截面刚度较大，次构件刚度不完全足以约束主构件。因而，采用了下述措施来保证刚架构件平面外稳定性：柱间支撑均采用角钢支撑；为减小柱平面外计算长度且降低用钢量，C轴线钢柱采用箱形截面，B、D轴线沿柱高度方向加设了三道通长的刚性系杆。山墙处低屋面与高屋面双层屋面梁采用交叉的圆管支撑及H型腹杆连接形成桁架如图2所示。

对于低屋面布置一道水平支撑，厂房两端部采用角钢支撑，其余均采用张紧的圆钢交叉支撑。局部檐口较高处，屋面水平支撑则设置纵横向角钢支撑。由于水平支撑把内力传给直腹杆，刚架柱顶直腹杆内力较大。对于轻刚结构体系，低屋面檐口处直腹杆可由天沟支架兼作系杆，中列柱通长刚性系杆则由双檩条兼作，可节省大量钢材，有利于提高厂房纵向刚度。高屋面除檐口处直腹杆由天沟支架兼作系杆，其余均由通长圆管作刚性系杆。

5 18m柱距处，屋面、墙面结构的设计

由于18m柱距较大，会遇到以下困难：①檩条、墙梁的计算长度过长，C、Z型冷弯薄壁型钢很难满足要求；②屋面板、墙面板不能提供檩条、墙梁的侧向弯扭约束刚度。综合考虑后，参考规程[2]，进行了以下处理：屋面每间隔10m设一托梁，挠度按1/400控制，在托梁中间9m处沿跨度方向设有次梁，用次梁将18m分为两个9m开间，承担屋面9m范围内荷载，挠度按1/250控制，且作为托梁侧向支撑点，减小平面外计算长度。在18m柱距内屋面设纵向水平支撑将水平力传至两边刚架，一部分竖向力则通过托梁传至两边刚架。外墙面风荷载则通过交叉的角钢支撑及在四分点处设H型直腹杆将屋面托梁作为上弦杆、吊车梁制动结构的边梁作为下弦杆形成抗风桁架，使结构形成几何不变体系。

6 结 语

随着钢结构行业的发展，大型钢结构工业厂房也越来越多。这些超限厂房，除结构设计比较复杂外，施工上也应特别注意施工安装顺序。本文结合所遇到工程，总结其结构设计特点，希望能给工程设计人员提供帮助。

参考文献

[1]《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102；2002）》，北京：2003.

[2]《钢结构设计手册（上册）（第三版）》，北京：中国建筑工业出版社，2004.

作者简介：卜科（1981-），女，本科，从事钢结构设计工作。