多层工业厂房的结构设计探析

王 旭

(太原热力设计院(有限公司)，山西 太原 030006)

多层工业厂房的结构设计探析

王 旭

(太原热力设计院(有限公司)，山西 太原 030006)

结合多层工业厂房结构设计的要点，对常用的框架支撑体系、纯框架体系、钢架加支撑混合体系进行了论述，从结构设计和结构计算两方面着手，探讨了结构设计中需注意的问题，以不断优化结构设计体系。

工业厂房，结构体系，荷载计算

随着我国经济的发展，传统的单一功能、单一结构的工业建筑已经满足不了现代大工业生产的需求，工业大厦、联合车间等应运而生。由于建筑用地紧张以及建筑工艺流程等原因，目前许多多层工业厂房存在诸多问题，制约着我国经济的发展和人们生活水平的提高，值得引起人们的深入思考与总结。基于这种现状，本文对多层工业厂房的结构设计进行了详细探讨，以期有助于提高我国多层工业厂房的质量。

1 多层工业厂房的结构设计要点

正是因多层工业厂房自身具有的特殊性，因而往往需要较大的大空间，基本上都采用的是框架结构，而工艺条件如果许可，也可以运用框剪结构。要想有效的减小厂房建筑的空间扭转作用，在设计时需要使房屋的刚度中心与质量中心最大程度上达到相近。同时为了避免应力集中导致变形和收缩等情况结构体系要求简捷、规则以及传力明确。

1.1 控制横纵方向框架周期

对于多层工业厂房，其十分显著的特点就在于跨度大且尺寸大，而其中所使用的柱子则比较少，但柱距方面却完全相反，跨度小、尺寸小，柱子却相对较多。对于此类状况，大多需要遵循横向控制的基本原则，以此使横向与纵向的抗震能力能够保持大体相似，不仅能够实现多层工业厂房的抗震功能，还能最大化的节约成本，设计更加体现经济性。

1.2 合理布置电梯位置

多层工业厂房常常需要运输一些质量较重的货物和设备，所以在多层工业厂房中需要设置电梯以减小工作量以及降低工作难度，而电梯位置布置的是否合理是多层工业厂房结构设计的关键因素。由于钢筋混凝土电梯井筒的刚度很大，在运作时可能对建筑物的偏心产生影响，所以在布置电梯时尽量避开建筑物的角落与端部地区。如果条件不允许或无法避免的情况下，要求随电梯周边的楼板以及周围的框架，采用有针对性的强化措施，由此为电梯的运行提供保障。

1.3 地震区不宜构建多层厂房

我们都知道，地震多发区的房屋伸缩缝基本上是合一的，建筑物若存在时间很长，这时往往就需要采取措施，尽可能少的对伸缩缝和防震缝予以设置，例如提高配筋率、加厚屋面隔热保温层及后浇带的位置设在结构受力影响最小的区段等。

2 常用的结构体系

2.1 框架支撑体系

这种结构体系主要是采用柱间支撑代替水平荷载的方式，多层工业厂房的横向刚性较大，而纵向成柱支撑体系(见图1)。这种结构体系成本较低，有较大的经济性，而柱间支撑非常容易受到不同程度的影响，因而在横向短且纵向长的多层工业厂房中比较适用。

2.2 纯框架体系

纯框架体系的设计要点是横纵两个方向均不设置柱间支撑，取而代之的是刚接框架。这种设计体系与框架支撑体系相比最大的优势在于使用空间不受限制，但不宜采用工字形柱，而是采用两个方向惯性相差不大的截面形式。另一方面，该结构体系使用钢量大大增加，致使建筑物建设的成本显著增多。

2.3 钢架加支撑混合体系

和第一种结构体系比较可知，钢架加支撑的混合体系的不同之处就在于把纵向设计为钢架、支撑混合形式，依靠的是钢架、支撑的共同力量，以此将柱的纵向变形予以减少。然而，这一结构体系对楼面的刚度有着较高的要求，否则非但无法达到设计的要求，还会使柱出现变形的情况(见图2)。

3 结构设计中需注意的几点问题

3.1 结构设计和工艺设计间的协调

从总体上来看，多层工业厂房设计的最终目的是为了服务于生产活动，厂房设计应当满足工艺要求，这样才能实现结构设计的效益最大化。而在实际结构设计与工艺设计中常常出现诸多矛盾，例如需要开洞的是框架梁，而在设计时却将应当沿梁布置的设备放在了跨中，荷载方面也经常出现不合理的情况。针对这个问题，工艺设计人员与结构设计人员应该充分沟通，结构设计人员应当充分了解工艺布置和工艺要求，工艺设计人员也应该尊重结构设计人员的基本要求，使设计更加合理化，给工艺设计人员与结构设计人员减少不必要的麻烦。

3.2 结构计算

现代社会科学技术的高速发展推动了人类社会的进步，计算机硬件的发展大大减少了结构计算量，继而可以使结构工程师真正的从繁琐的计算中得到解脱，使其有充沛的精力及充足的时间置身于结构方案的选择及设计中，促使结构设计质量水平得以提升，工程成本得以减少。从整体上来看，计算机结构计算需完成以下工作：

1)楼面等荷载的计算。可以说，在整个结构设计中，荷载计算是其中的基础及关键所在，荷载取值范围准确与否，对计算结果的准确性起着决定性作用。诸如，根据工程工艺所提出的设备质量、楼面均布荷载、设备布置图，来将楼面均布荷载计算出来；因多层工业厂房的特殊用途，它和多层民用建筑在结构形式以及楼面活荷载等多个方面均有非常多的不同之处，工业厂房楼面活荷载要求要比多层民用建筑更加的严格。而对于中小型的机床上楼层、梁上，甚至还涉及到吊车荷载，其主要原因是整个平面内几乎没有内隔墙，所以跨度柱网与层数相对民用建筑来说要高一些。另一方面，多层工业厂房的房梁多采用现浇钢筋混凝土结构，这种结构与民用建筑相比相对较厚，使整个平面呈现无限大的状态。电梯间使用的大多是框架填充墙结构，如果将电梯设置在端头的话就会显得这种结构设计不合理，所以需要计算出楼面的均荷载；

2)节点核心区的抗剪验算。在框架节点设计时，应当切实遵循“强柱弱梁更强节点”进行，如果是一级抗震等级、二级抗震等级的节点，在此基础上要应当计算出受剪承载力。对于多层工业厂房的中心线，切勿有重合问题，如果有重合问题出现，再加上柱的截面大、节点偏心大，因而对节点核心区的构造及其受力均会带来负面影响。鉴于此，节点核心区抗剪验算尤为重要；

3)裂缝宽度以及罕遇地震验算。在实际的多层工业厂房结构设计当中，裂缝宽度验算是其中不容忽视的一大步骤。在原则方面，混凝土梁的裂缝宽度不允许超出0.3 mm，而在验算时如果具体结果明显要高于规定要求，则需要借助于钢筋截面的减少以及钢筋根数的增多来将这一问题解决。若采取措施后，所得的验算结果依旧无法在规定的要求之内，那么就应当对柱梁截面加以重新修改。我国相关标准规定，房屋建造物的抗震设计需要严格遵守的原则为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。多层工业厂房结构设计时的抗震验算仅仅只能满足小震不坏这一要求，要想实现中震可修需要加强构造，而要想真正实现大震不倒则需要进行罕遇地震的验算。规定7度～9度时楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构要进行罕遇地震的验算，而且明确指出结构薄弱层间的弹塑性位移角要比1/50小。通常，多层工业厂房设备方面的投资力度要比规定要求大很多，对此，需要进行罕遇地震的验算工作；

4)电梯井筒相连框架。在以往的电梯计算过程当中，大多是根据纯框架来计算，电梯井壁根据构架配筋予以计算，这一计算形式通常安全系数低，因而需要按照壁式框架把框架部分计算得出的数值进行配筋，电梯井壁则需要根据剪力墙配筋。与此同时，多层工业厂房均设置有多台吊车，为了操作便利和防控一些意外事故，应将一台吊车作为吊车数据输入，其他吊车则作为活荷载考虑。

4 结语

尽管我国目前多层工业厂房设计结构中存在着许多问题，但也并不是没有避免和改进的可能。对此，可以根据实际情况选择最科学合理的结构体系并进行准确的结构计算，对选择的结构体系予以不断优化，以达到最佳的设计。通过各种手段设计出符合要求的多层工业厂房结构，提高我国多层工业厂房的质量。

[1] 王友鹏,孔静雅.试述工业厂房的结构设计及常用体系.黑龙江科技信息,2012(18):288.

[2] 刘 芸.多层工业厂房结构设计问题的若干探析.中华民居(下旬刊),2012(10):38-39.

[3] 许建昆.有关多层钢结构工业厂房设计的分析与探讨.科技创新与应用,2015(12):236.

Inquiry on structural design of multi-layer industrial workshop

Wang Xu

(TaiyuanThermalDesignInstitute(Co.,Ltd),Taiyuan030006,China)

Combining with structural design points of multi-layer industrial workshop, the paper discusses common frame support system, pure frame system and steel erection adding supporting composite system adopted in industrial workshop design, and explores matters needing attention in structural design from two aspects of coordination and structural calculation of structural design and technological design, with a view to continuously optimize structural design system.

industrial workshop, structural system, load calculation

2015-09-14

王 旭(1963- )，男，工程师

1009-6825(2015)33-0048-03

TU318

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