空间钢网格盒式结构在多层工业厂房中的应用＊

宋玲玲，张华刚 ，刘 彩，秦冬冬

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳550003)

传统厂房的结构形式主要有排架(或门式刚架)和框架两种［1］。排架(或门式刚架)的跨度较大，用钢量少，对空间使用有利，但只能修建单层建筑，且结构整体性较差，土地使用率较低。框架为多层结构，但柱网较小，空间使用受限。也有下部采用多层框架而顶层采用门式刚架的工程实例，以部分提高建筑的空间使用率。由此可见，多层大跨度结构是未来工业厂房发展的一个主要方向。

盒式结构是贵州大学马克俭等人基于节约土地、提高建筑空间使用率而提出的一种新型多层大跨建筑结构体系［2］，它由网格式墙架(图1a)和空腹夹层板［3］(图1b)组成，结构形式如图1c 所示，跨度可达12 ～24 m，与单层厂房相比，提高了土地利用率;与多层框架相比，在大跨度条件下降低了结构用钢量。盒式钢结构的墙架和空腹夹层板均可在工厂制作小拼单元之后，现场采用高强螺栓连接，其施工顺序为:①工厂下料并焊接墙架和空腹夹层板小拼单元;②运到现场;③安装和连接墙架;④吊装和连接钢空腹夹层板;⑤浇筑楼板混凝土。现场焊接量少，施工速度快。

图1 多层盒式结构

目前盒式结构已在湘潭九华工业园、瓮安工业园、铜仁大龙工业园、贵阳大自然工业园等园区厂房中推广应用，建筑面积达27 万平方米，取得了较好的技术经济指标和社会效益。本文以安顺某工业园区二期多层厂房为例，采用对比分析方法讨论盒式结构的力学性能及技术经济指标，以期为类似工程应用提供参考。

1 工程概况

安顺某工业园规划总用地585 亩，总建筑面积为31 万平方米，规划效果图如图2 所示。

图2 工业园规划效果图

一期厂房为二层建筑，采用底部框架上部门式刚架结构。二期厂房修改为三层建筑，共11 栋厂房。二期厂房总面积约10 万平方米，单栋平面尺寸32 m×92 m 的厂房共10 栋，1 栋平面尺寸为32 m×72 m。本文以平面尺寸为32 m×72 m 的厂房为对象介绍其分析过程。厂房一层层高8.7 m，二、三层层高均为4.5 m，钢结构部分为2 跨。1 层2跨均配置5T 中级吊车一台。考虑屋面荷载较小，因此底部两层采用钢网格盒式结构，顶层采用门式刚架，框架间设置纵向连系梁。

考虑到楼电梯间位置需要楼板开洞，卫生间处需要降低板面标高，因此两端采用混凝土框架梁板体系，其余跨采用钢结构。

1.1 结构布置

两跨钢结构跨度均为16 m，平面尺寸为32 m×56 m，楼盖采用钢空腹夹层板。为发挥网格式楼板的空间力学效应，空腹夹层板采用正交斜放网格，结构布置如图3 所示，夹层板网格构造如图4所示，表层混凝土板厚100 mm，上肋和下肋共同组成空腹梁。

墙架由立柱、层间梁和楼层空腹梁组成。图5为墙架网格示意图，其中标高不含楼层混凝土板厚。

空腹梁采用T 型钢，夹层板剪力键采用方钢管，墙架立柱和层间梁采用H 型钢。

图3 2 层、3 层的楼板平面布置(32 m×72 m)

1.2 对比计算

图4 空腹夹层板构造

图5 二层墙架

结构设计使用年限为50 年，安全等级为二级，按丙类建筑6 度设防。设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，混凝土部分抗震等级按四级，钢结构按非抗震计算。基本风压为0.3 kN/m2，由于结构立面规整，体型系数统一取1.3，地面粗糙度类别为B 类。屋面雪荷载为0.3 kN/m2。楼面恒载3.3 kN/m2，活载5.0 kN/m2。屋面恒载取0.3 kN/m2，活载0.5 kN/m2。

计算软件采用STS。空腹夹层板按抗弯刚度等效为密肋梁。由于等效密肋梁的自重由软件自动计算，因此在其截面确定后，等效密肋梁的自重折算为均布恒载，并在楼面计算恒载中扣除。

为比较盒式结构与普通结构力学性能的区别，本文在使用荷载、前述计算参数、跨度等相同条件下同时计算了底部两层框架、上部门式刚架的普通结构。普通结构的柱距为8 m，次梁间距2 m，楼板厚度为100 mm。

1.3 主要计算结果

表1 为两种结构的前六阶自振周期，图6、图7分别为对应振型。盒式结构前四阶自振均表现为整体振动，而底框-门刚结构仅前三阶为整体振动，后三阶为柱间支撑的振动。对于盒式结构，一阶振型为纵向平动，对应周期1.40 s;二阶振型为横向平动，对应周期为1.12 s。而普通结构纵向平动的最低阶振型出现在第三振型，对应周期0.66 s，横向平动最早出现在第一振型，对应周期为1.11 s。低阶振型可以近似反映结构刚度，可见盒式结构的横向抗侧刚度与底框-门刚结构相当，纵、横向抗侧刚度分布更为均匀。

表1 结构前6 阶周期

图6 盒式结构前六阶振型

图7 底框-门刚结构前六阶振型

表2 为结构在水平荷载作用下底部两层的最大层间位移角。可见盒式结构的在风荷载和地震荷载作用下层间位移角都很小。底框-门刚结构Y 向层间位移角与盒式结构相近，但在X 向要远小于盒式结构。同时看到，底框-门刚结构的X 向位移角远远小于Y 向位移角，两个方向的刚度分布严重不均，导致了结构第二周期为扭转周期。

表2 风及地震作用下的楼层最大层间位移角

钢空腹夹层板弹性挠度为29.46 mm，考虑混凝土板的徐变和收缩等因素影响，因此计算挠度除以0.65，即f =29.46/0.65 =45.32 mm，支承跨度为16 m，则f/L = 45.32/16000 ≈1/353 ，小于钢结构楼盖1/250 限值要求。

1.4 盒式结构构件设计

网格式墙架采用软件计算结果。

空腹夹层板采用等效密肋梁的内力包络图进行构件设计［4］。其中上、下肋按轴心受力构件计算。内力计算按下式:

其中:M、V—分别为等效密肋梁的弯矩和剪力。

NL、VL—分别为空腹夹层板上、下肋的轴力和剪力。

h0—上、下肋的形心距离。

式(1)实际上是考虑局部弯矩影响后将密肋梁的截面弯矩转化为夹层板上、下肋的轴力。对于受压肋，还应验算稳定应力。式(2)表示密肋梁的剪力由上、下肋平均分配。

方钢剪力键按纯剪构件设计。剪力按下式计算:

其中:ΔMmax—对应在剪力键两侧等代密肋梁的弯矩差值的较大值。

2 技术经济指标的对比分析

两种结构的计算用钢量见表3。盒式结构与底框-门刚结构用钢量差值为9.51 kg/m2。一栋楼底部2 层共节省32 × (72 -16)×2 ×9.51 =34.08 t。钢结构的制作和安装按1.1 万元/吨，则一栋楼钢材节约造价为37.488 万元。

3 结语

从上述分析可知盒式结构和一般底框-门刚结构有明显差异:

表3 用钢量对比 kg/m2

(1)盒式结构的墙架和楼盖均采用小拼单元安装，减少了现场焊接量，施工速度快。

(2)盒式结构将传统框架的竖向和水平承重构件均网格化，使得纵横向抗侧刚度分布更加均匀。

(3)盒式结构的用钢量相对较少，当厂房建筑面积大、使用荷载大、厂房层数多时，这种优越性就更加明显。

［1］肖亚明，孙强，马芹永，等.钢结构设计原理［M］.合肥:合肥工业大学出版社，2009.

［2］彭登，马克俭.新型装配整体式空间钢网格“筒中筒”盒式结构在超高层结构的研究与应用［J］.空间结构，2012，18(4):13 -18.

［3］马克俭，张华刚，郑涛. 新型建筑空间网格结构理论与实践［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］张华刚，胡岚，马克俭，等.空腹夹层板的静力性能分析及其实用计算方法［J］.贵州工业大学学报，2006，35(3):82 -87.