单层钢结构厂房的设计优化研究

【摘要】随着我国经济的快速发展，工业建设对于厂房的需求增多。目前工业厂房的建筑数量和面积都大大提升，多数以单层厂房为主。目前我国的单层厂房的材质以钢结构为主，采用压型钢板、夹芯板等轻便材质作为屋面的有檩体系。相比于传统的工业厂房，现代工业厂房在设计和材质方面都有很多的变化。但是在某种程度上，现代厂房的设计方法还是无法完全脱离传统的设计方法，在某些方面还延续了传统的简化方法，有诸多尚未被完善之处，这些不够完善的地方就有可能成为厂房结构的安全隐患。本文就从单层厂房的平面简化设计中存在的一些问题入手，对于单层厂房结构的优化设计进行浅要的分析，以供参考。

【关键词】单层钢结构；厂房；设计；优化；研究

随着经济的快速发展，工业建设对于厂房的需求大大增加。相比之前，工业厂房的数量和面积都在以惊人的速度增加。目前在我国的工业厂房，多数是单层厂房，且以钢结构为主。在房屋的有檩体系和围护墙建设上，普遍采用压型钢板、夹芯板等轻便材质，这种结构设计既保证了厂房的坚固性，又方便移动，成为目前厂房设计中最为流行的板式。与传统的厂房设计形式相比，现代工业厂房在设计上发生了很多的变化，但是不能否认的是，现代厂房的设计方法多是沿袭过去的传统简化方法。在简化设计方法中，有许多地方都不够完善，很有可能导致厂房结构出现安全隐患。同时这种不够完善的简化设计方法，很容易造成“算不清”的情况，从而导致结构截面的扩大，最终导致厂房建设耗钢量的增加。为了降低工业生产成本，有必要对于传统的计算方法进行改建，对于传统计算方法中的不足之处进行全面细致的分析总结，以便得出更为适用简便的设计方法，既保证厂房的结构安全，又达到了降低成本的目的。

一、单层钢结构厂房平面设计中存在的问题

1、如果厂房采用格构柱建筑，那么在整体计算过程中，常常将格构柱算作一整条柱子。但是在设计工业厂房的柱子系统时，常常采用双肢格构柱的形式，利用两分支之间的空隙，来布置通风管道和热力管道，行人通道也常常预留在内。那么为了预留管道留孔或者布置人行通道就不得不打断缀条的连续性，使得格构柱这个局部设计和整体设计不一致。此外，如果水平承担力度的水平荷载作用于格构柱分支的空间，而不是作用于格构柱和缀条的节点，那么分支内的弯矩就会对格构柱产生一定的影响，这个影响也未被纳入考虑范围之内。为了减少这个影响的范围，工程设计中常利用分支加强的形式来减少影响，但是在设计中却没有对于此类构建的定量分析。

2、在目前的单层钢结构厂房的设计中，经常将横向平面钢架作为计算结构的基本单位，对于整个厂房的实际空间的计算，常常简化为平面钢架，然后再进行分析计算。但是单层钢结构厂房的顶端的横向平面钢架，除了受到横向风载的作用，还会受到来自于山墙方向的纵向风载作用。在单层钢结构的设计中，仅仅考虑了横向风载对于厂房柱子的作用影响，纵向风载对于端钢架的影响则没有包括在内。这种失误所产生的后果是严重中的，因为一旦单层钢结构的柱子平面外界面模量较弱时，纵向风载就会对平面外弯矩产生一定的作用，从而在厂房柱子中引起一连串的连锁反应。即使端钢架竖向的承受力笔中间钢架要小，也有很大的可能导致设计结果不够安全。因此，在平面结构内，按照平面模型来涉及单层钢结构的厂房端钢架时，钢架平面外风荷载的作用是必须要考虑的一个重要因素。

3、在使用平面模型来建模和计算的时候，对于一些三维的抽柱钢架，在设计时就不得不做一些判断，以此来决定取舍。在传统的设计方法中，通常是将立体的托架或托梁简化成一个具有刚度的弹性支座来计算，这样就把三维的空间问题转化为二维的平面问题，有利于计算的简化和结果的精确。此外，在选取弹性支座的刚度时，要考虑整个厂房的空间整体对于平面钢架受力的各种影响，包括有利的和不利的，只有这样，才能够保证计算结果的精确性，减少因为三维转化为二维的简化造成的误差。因此，在确定平面简化模型中弹性支座的刚度值时，非常有必要对于空间计算和平面计算的结果进行对比，以此来判断简化计算是否合理。

二、格构柱的研究现状

1、格构柱的特征和主要型式。格构柱在承重方面具有很大的优势，它能够承受较大的弯矩承受能力和刚度。因此普通钢结构的厂房在设计下柱时常常使用格构柱。那么什么是格构柱呢？它是用连接缀件将型钢分肢进行拼接而形成一个统一整体的柱形式。在格构柱的整体界面上，无论是弯矩还是轴力都被转化成竖向轴力，这种竖向轴力主要作用于格构柱上，由格构柱的分肢来承担主要的力度。剪力被分散到缀条或者缀板上面，由它们来承担。

格构柱有多种界面型式，常见的如钢管混凝土四肢组合界面、钢管四肢组合界面、工字钢组合界面、钢管混凝土三肢组合截面、钢管三肢界面、槽钢组合截面、钢管混凝土双肢界面、钢管双肢组合截面、槽钢和工字钢组合截面等等。在单层钢结构厂房的设计中，应该根据格构柱的具体承受力度，来选择合适的界面型式，避免材料的浪费，减少用钢量，降低企业的生产成本。

2、格构柱的设计计算。格构柱的计算方式独具特点，主要表现在：格构柱绕虚轴的长细比使用换算长细比的方式；围绕着虚轴而弯曲的偏心受压格构柱，需要进行弯矩作用平面内的整体稳定性盐酸；格构柱的分肢稳定性验算，按照每一分肢的最不利轴力，进行单肢稳定验算；格构柱的计算还需要包括綴件；格构柱的设计中，对于特殊节点的设计，也包括在整体计算和局部设计之中等等。

三、厂房顶部横向框架设计现状

1、单层钢结构厂房受力体系。单层钢结构厂房的组成部分主要有以下几种：支撑体系、围护结构体系、框架结构体系、屋盖结构体系、吊车梁结构体系。支撑体系主要有柱间支撑和屋盖支撑着两方面组成。支撑体系的作用就是将横向和纵向的平面框架联系起来，使得各部分成为一个统一的整体空间结构，相互联系、相互作用、协同工作，以此来确保单层钢结构厂房的稳定性和刚度。围护结构体系为了保证厂房内正常、安全的生产环境，它通过基础梁、墙梁、外墙、抗风柱等组成一个承受及传递围护墙体重量的风荷载。风荷载作用于墙面。框架结构体系由横向平面和纵向平面框架组合而成。作为单层钢结构厂房的基本承重结构，横向平面框架的意义十分重要，它是由基础、屋架和横向柱列组成。在建构屋面梁和柱顶之间的连接时，可以采用刚接或者铰接的形式。柱段和基础的连接则多数只能采用刚接的形式。纵向平面框架的组成部分较之横向平面框架要复杂的多，它的组成部分包括纵向柱列、基础、连系梁、柱间支撑、托架、吊车梁等等，其主要作用是宝成厂房结构在纵向方面的稳定，并主要承受纵向风载荷、纵向温度应力、纵向地震作用力和吊车纵向水平制动力等等。它对于单层钢结构厂房的作用也是必不可少。屋盖结构体系，包括单层钢结构厂房屋顶所需要的一切，如屋面板、屋盖支撑、天沟版、托架、檩条、屋面梁等等。处于承重考虑，屋盖结构的材质一般比较轻便，原来使用的屋面板、砖墙等重型材料逐渐被抛弃，取而代之的是压型钢板复合板材。吊车梁机构体系主要有制动结构和吊车梁等组成，承受传递吊车给予的横向和纵向两方面的荷载。

2、单层钢结构厂房横向平面框架荷载。单层钢结构厂房的设计，按照常规的计算方法，应该以横向平面框架和纵向平面框架搭建而起的整体空间结构作为计算对象，但是在这种计算方式比较繁杂，工作量极为庞大，所以在实际的计算工作中，通常分别计算横向平面框架所承受的荷载和纵向平面框架所承受的荷载，这种计算方式的工作量相对较小，得出的结果与实际数据也比较相符。横向平面框架在单层钢结构厂房中是这样起作用的：它承受了厂房内部所有的横向和纵向荷载，通过横向水平的框架设计来确定单层钢结构厂房的基本单元，然后再通过吊车梁等各种构件将横向水平框架给连接起来，使之成为一个三维的空间结构，以此来保证厂房骨架的纵向刚度符合单层钢结构厂房的承重要求。

在单层钢结构厂房横向框架的设计方法中，对于横向框架的荷载计算仅仅包括了横向平面的承受力，而纵向风荷载未被考虑在内。但是在实际的工作中，纵向风荷载只有在纵向支撑的设计中予以考虑，在横向框架结构的设计蓝图中也不会出现的。但是事实上，横向结构的框架在受到横向风荷载的同时，纵向风荷载也会对它产生影响。所以，在单层钢结构厂房的横向平面框架的设计中，也应该加入纵向风荷载造成的平面外弯矩。

四、对单层钢结构厂房的设计展望

目前，随着新材料的出现，现阶段的单层钢结构厂房的设计规范采用的是门式钢架轻型房屋钢结构技术规范。随着技术的发展，普通钢结构厂房的设计中也逐渐开始使用轻型的屋盖和外墙，材质重量的减轻使得普通钢结构厂房的面恒载也得以缩小。此外，门式钢架轻型结构厂房中也使用了轻型的建筑材質，它和普通钢结构厂房的区别在于所使用的吊车吨位和大小。对于这种普通单层钢结构厂房的设计通常都采用传统的简化方法，它有缺点也有优点，缺点就是增加了设计中的钢结构指标，优点就是减轻了企业的生产成本。

参考文献：

[1]邓玉孙，熊刚，聂诗东.双肢缀条格构柱换算长细比的补充[J].工业建筑，2006.

[2]张艳霞，张丽霞.格构式轴心受压柱设计方法的改进[J].北京建筑工程学院学报，2004.

[3]袁志军，刘兰，扶名福.损伤缺陷对缀条式受压构件稳定性影响分析[J].南吕大学学报（理科版），2010.

作者信息：王向辉（1980-），男，汉族，河南洛阳人，硕士，中色科技股份有限公司，工程师 研究方向：结构工程