浅析工业厂房钢结构平台设计

周小丽

摘 要：文章由目前工程中常见的工业厂房钢结构平台设计做法，探讨钢结构设计的相关问题及其优缺点，以及应采取的相应构造措施。

关键词：框架—支撑体系；“三强”抗震设计准则；减轻震害刚性连接

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）09-0001-03

钢结构以其强度高、自重轻、施工周期短等特点，广泛应用于我国的建筑行业中，如工业厂房、高层建筑、大跨度建筑、设备平台、管道支架等。

本文通过对工业厂房钢结构平台梁柱连接做法进行调查，对不同的荷载工况、工作环境，不同钢结构做法进行比较。发现类似的平台，要想对结构进行更合理的设计，降低工程成本，就需要我们对结构做进一步的优化。

1 平台结构的分类

①按照使用要求和使用环境可分为室内和室外平台，无侵蚀性介质的和受侵蚀介质影响及散发轻微侵蚀性介质平台，承受静力荷载和动力荷载平台以及辅助操作平台和中、重型设备平台等。

②按照支座处理方式，可分为全部或部分利用厂房原结构支撑的平台和全部设柱自成体系的独立平台。对存在较大动力或荷载较大的设备平台，通常采用独立柱平台结构。

2 设计原则及结构布置

厂房钢结构平台的结构布置主要是由工艺设备配置所决定的，合理的结构设计，既能满足工艺技术要求，又能在满足安全、稳定的前提下，能最大程度的做到经济、适用。独立钢平台多采用以下布置来满足结构的承载及稳定要求。

2.1 框架—支撑体系

该结构的特点为：支撑一般沿结构两个方向布置，也可在一个方向设置支撑，另一方向设计为纯框架。

该结构支撑主要承担水平荷载，通过楼板与刚接框架共同形成了双重的抗侧力结构体系。支撑底部的层间位移较小，为弯曲型的竖向构件。

框架底部的层间位移大，是剪切型的构件，这种体系侧向刚度较大、抗震特性良好，在水平力作用下，支撑承受轴向拉、压应力，该结构对增加构件强度还是控制变形，都十分有效。

2.2 纯框架体系结构

该结构体系承重和抵抗纵横两方向的水平力均由框架结构完成。

在地震区时，框架纵、横梁一般采用与柱刚性连接，形成两方向的空间体系，该结构侧向刚度、延性均较强。有一定的空间整体作用。

该结构主要特点是可以形成较大的使用空间，平面布置灵活，可满足多项使用功能，构件易于标准化和定型化，易于施工。

这两种体系相比较而言，由于框架结构梁柱连接位置节点域有着较大的剪切变形，而框架柱的腹板、翼缘板、水平加劲板厚度均较薄。

同时框架结构体系的抗侧能力主要决定于梁和柱的受弯能力，要增强结构的抗侧刚度，只有增加主框架梁、柱构件的截面，而过大截面失去了框架结构的经济合理性。对于框架结构设有支撑和系杆的主要目的之一就是减小柱平面外的计算长度，使节点域剪切变形随支撑体系侧向刚度的增加而锐减，从而减小框架柱的截面。

3 平台梁与柱连接方式与计算

梁与柱采用铰接连接时，一种是将梁直接搁置在柱顶，另一种是将梁通过支托连接于柱侧。

3.1 梁与柱刚性连接方式

梁与柱刚性连接方式分为以下几种。

3.1.1 栓焊混合连接节点

用全融透的坡口焊缝仅连接梁的上下翼缘与柱的翼缘，而柱翼缘板上的剪力板和梁腹板采用高强螺栓连接。

3.1.2 全焊接节点

用坡口全融透焊缝连接梁的上、下翼缘，用角焊缝连接腹板与柱翼缘。

3.1.3 全栓接节点

采用高强螺栓使梁的翼缘、腹板通过T型连接件均柱的翼缘连接，这种方法虽然安装方便，但节点刚性不如前两种连接形式好，实际应用并不多。

在PKPM系列钢结构STS框架连接软件中提供了梁与柱刚性连接两种节点设计模式：

①按抗震规范8.2.8条要求校核强节点弱构件。

②抗侧力构件连接按等强连接。一般的操作钢平台，由于其安全性等级和使用年限要求较低，结构设计采用节点等强连接即可。而对于一些较重要的多层设备平台或与房屋主体建筑共同受力的钢结构平台，则节点设计需要满足“三强”抗震设计准则，即“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”。对于框架、支撑等杆系构件，为防止节点的破坏先于构件破坏，要求节点的承载力高于构件承载力。

3.2 梁与柱刚性连接时应验算的项目

3.2.1 梁和柱的承载力连接

在弹性阶段是其连接强度验算，在弹塑性阶段是其极限承载力验算。

在计算不满足时，PKPM计算软件采用了结构中常用的楔形盖板增大Af和tf值，从而加强框架梁梁端与柱的刚性连接方法。由于加强方式构造上需满足柱翼缘板厚度大于梁翼缘板厚度+楔形盖板厚度的要求，从而导致设计中、重型平台时，钢柱翼缘板厚度普遍偏大。

而荷载相对较小的设备平台及操作平台，梁截面一般较小，梁柱节点通常采用简单加宽连接构件宽度或不需采取措施就能满足Mu≥1.2 Mp要求。

3.2.2 在梁翼缘的拉力和压力作用下的计算

分别验算柱的翼缘板刚度和柱腹板受压承载力；当计算不满足时，常采用柱腹板、翼缘加厚或設置水平加劲肋这两种手段予以保证。

3.2.3 节点域抗剪的承载力

同时规范规定，当节点域的腹板厚度tw≥（hb+hc）/70时，可不验算节点域的稳定性。当节点域体积Vp不能满足要求时，使用PKPM软件默认抗规中8.3.5条，加厚节点域或贴焊补强板的措施。

由上可以看出：钢结构的设计，如果是钢框架建模，则节点设计需满足抗震规范要求时，由于PKPM系列STS钢结构CAD计算软件中节点加强做法设置的单一性，采用了楔形盖板加强框架梁梁端与柱的刚性连接做法，导致钢柱翼缘板厚度明显偏厚，会造成了很大的浪费。

4 减轻震害改进梁与柱刚性连接的常用方法

①用楔形盖板加强框架梁梁端与柱的刚性连接：如果梁的强度、刚度在不降低，则可在梁上下端翼缘上加焊一块楔形盖板，来增强梁柱连接的节点承载力，使塑性鉸远离梁柱节点，让节点具有较好的延性，不致于发生节点的脆性破坏，如图1所示。

②在梁下部与柱相交位置加腋板来加强框架梁梁端与柱的刚性连接：通过增大梁与柱连接高度的方法，达到增大Mu值的作用，从而满足Mu≥1.2 Mp的要求，如图2所示。

③“犬骨式”的连接构造：通过削弱梁来保护梁柱节点，使强震时梁的塑性铰自柱面外移，从而避免脆性破坏，如图3所示。

④用楔形板加强框架梁与设有贯通式水平加劲肋柱的刚性连接：通过增大梁与柱连接宽度，起到增大Mu值的作用。用于工字形截面柱的加强方法如图4所示，箱形截面柱做法如图5所示。

⑤规范中梁与柱连接的极限受弯需满足Mu≥1.2 Mp要求，其中Mp为梁（梁贯通时为柱）的全塑性受弯承载力，如采用梁贯通式，则Mp采用柱的全塑性受弯承载力，设计可通过减小柱截面的方法降低Mp值而满足要求，如由此带来强柱弱梁抗震设计不满足时，规范明确表述当柱轴向力的设计值与柱全截面的面积和钢材的抗拉强度设计值间的乘积比值≤0.4，或柱所在的楼层受剪承载力高出上层受剪承载力的25%，或者轴心受压杆件在两倍地震力的作用下能保证稳定时，可认定设计满足了规范要求，不按上式验算。

5 钢结构设计须注意的事项

①框架梁与箱形截面柱、工字形截面柱的翼缘之间刚性构造连接如图6所示。

柱在对应梁翼缘位置设横向加劲肋，且加劲肋板的厚度不得小于梁的翼缘板厚度；梁与柱翼缘之间采用全融透的坡口焊缝；梁的腹板上下端均做成10～15 mm圆弧切角，下端切角高度稍大一些，允许施焊时焊条通过。圆弧端部距梁翼缘的全融透焊缝尺寸应保证在10 mm以上。下翼缘衬板连接处，应全长采用角焊缝焊接，焊角尺寸取6 mm；当梁的翼缘塑性截面模量小于梁的全截面尺寸的塑性模量的70%时，梁与柱的连接螺栓不得少于二列；设计布置螺栓总数应大于计算数值的1.5倍。

如为美观和施工方便，节点做法中取消了梁下翼缘焊接衬板，并相应缩小了梁腹板上下端扇形切角尺寸，因《钢结构设计规范》3.4.2条规定无垫板的单面施焊对接焊缝应乘以0.85折减系数，同时梁腹板下端扇形切角尺寸缩小，会引起梁下翼缘焊缝在施焊时实际中断，致使梁下翼缘焊缝出现较大缺陷，这一系列的变通使得该部位连接质量不能保证，当采用此连接做法时，应认真对待，通过计算复核后，方可作上述修改。

②梁柱相交位置，工字形柱设置的横向加劲板与柱翼缘板须采用全融透的对接连接焊缝，腹板连接则可采用角焊缝形式。梁翼缘与箱形柱对应部位设置的隔板，隔板与壁板采用全融透的对接焊缝形式。

③梁、柱刚接时，梁翼缘上下500 mm范围内，柱的翼缘与腹板间或者箱形柱各板间的连接，应为全融透的坡口焊缝。

④承重结构使用的钢材，应具有钢材硫、磷含量及抗拉强度、屈服强度和伸长率的合格保证，焊接结构还需有碳含量保证，通常主要焊接的结构中不使用Q235-A级钢。

⑤钢材的选用：Q345比Q235钢材屈服强度高约45%左右，当结构受力是由强度计算控制，有条件时可采用较高强度钢材有利于节约。

⑥对处于外露环境的钢结构，宜采用耐候钢；在处于腐蚀介质作用下，则需采用与防腐等级相匹配的除锈级别，在表面检查合格后，在规定的时间内对钢结构进行涂装。同时结构选材上需尽量选用表面积较小的管形封闭截面，对受高温作用的结构应采取隔热防护。

6 结 语

设计是一门集安全合理与经济适用于一身的职业，要求我们每一个工作人员应具有高度的责任心和较强的专业理论知识。随着国民经济的高速发展，钢结构必将广泛应用于我国的建筑行业中，相信在不久的将来，通过我们的不断努力，钢结构设计理论将更加完善、制作安装工艺更加工厂化、成品化，我国的钢结构水平将到达一个新的高度。

参考文献：

[1] 《钢结构设计手册》编辑委会.钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].