多层轻钢结构工业厂房的设计探讨

吴陈

【摘要】多层轻钢结构厂房具有自重轻、抗震性能良好以及施工速度快等特点，因此在工业厂房设计中得到了广泛的应用。本文笔者通过结合某钢结构厂房实例，探讨多层轻钢结构结构布置等，并进行了经济指标的比较，希望能对类似工程起到借鉴作用。

【关键词】多层轻钢结构；工业厂房；设计

1、多层轻钢结构厂房结构方案分析

多层轻钢结构厂房的层高和柱网尺寸往往较大，一般情况下层高可以达到4～8m，柱距则在6～12m之间。通过对比传统钢筋混凝土厂房表明，轻钢厂房具有施工快速等优势，这些都能够有利于工期的缩短。

2、工程实例

本工程为某一多层轻钢结构厂房的设计工程，主体部分为4层，柱距纵向为6m，横向分别为6.9m、7.5m以及13.5m。主承重结构体系采用三跨工形截面钢框架结构体系。屋面采用薄壁型钢C型檩条和双层保温层面板。楼面采用压型钢板组合楼盖，墙面采用外挂夹芯板的形式，内墙均为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。以下将基于结构布置方案优化等策略对本工程钢结构优化设计展开探讨。

3、多层轻钢厂房的结构布置优化

（1）结构体系。一般情况下，多层轻钢厂房主要采用的构件截面类型为工字形梁、箱形柱等，但这种截面类型构件通过钢板焊接，侧向刚度较弱，需要设置侧向支撑。往往采用的是工形或者箱形柱和工形梁所组成的空间框架体系。在这种体系中主要采用的构件是由钢板焊接而成的。这些体系具有侧向刚度小的特点，因此需要设置侧向支撑以确保侧向的稳定性，或可采取框架-钢混剪力墙体系，从而有效的确保结构的水平位移满足相关要求。

（2）柱网布置。在多层轻钢厂房的结构设计中，首先需要考虑的一个问题是如何配合工艺进行柱网的平面布置。在传统的设计中，往往将柱距模数定为3m、6m、9m或者12m。但是对于多层轻钢工业厂房结构而言，在满足工艺流程及设备布置的前提下，可按以上模数进行初步定位，但要通过多次、反复的建模计算和调整，结合基础及地基处理方案、钢构件加工及安装方案等多种因素，最终优化确定最经济合理的结构布置。

（3）支撑体系。多层轻钢结构厂房存在侧向刚度较弱情况，尤其是水平荷载作用下导致其侧向位移较大，因此需要在厂房纵向及横向均要设置可靠的支撑体系，如柱间支撑、水平和垂直支撑、系杆等，这样即可形成几何不变体系。部分设计人员在布置及选型上不够优化，如温度区间取值太小、可选柔性支撑的选用了较大截面的刚性支撑等等问题，造成不必要的麻烦和浪费。

（4）节点构造。目前在多层轻钢结构工业厂房中，节点构造大多采用焊接工形或者箱形的截面形式。一般设计人员在设计时往往选用国标图集或软件自行设计的节点形式，不但不够经济合理，而且增加了大量的现场焊接工作量，这与当前工业厂房建设的趋势相悖。由于多层房屋钢结构的板件宽厚比较大，因此应尽量避免在施工现场进行焊缝的连接作业。

（5）围护结构。在多层厂房中，为了减轻结构的自重，其围护结构往往采用轻质材料。一般情况下，外墙可以采用非自承重式輕型墙体，则底层墙体则可以采用空心粘土砖砌体。内隔墙则可以采用空心砌块，屋面结构则可以采用压型彩钢板+薄壁冷弯型钢檩条体系，大大减轻了屋面自重；对于大跨度的厂房结构还可以采用网架、膜壳结构等屋盖形式，更加美观、更加经济合理。

（6）楼面结构。多层轻钢结构工业厂房的楼板应满足承载力、刚度以及整体性的要求。目前主要采用的楼面构造有以下两种：

压型钢板组合楼盖：这种楼盖是在钢梁上铺设压型钢板，接着采用栓钉将压型钢板和钢梁连接固定在一起，并在其上浇筑钢筋混凝土板。在对这种楼盖结构进行设计时，重点应考虑钢梁和楼板的组合作用，这种设计方法可以有效的降低多层厂房的总用钢量。

预制板叠合层组合楼盖：这种楼盖是在钢梁上铺设预应力钢筋混凝土薄板，并在其上浇筑钢筋混凝土板。这种楼盖中并不需要采用压型钢板，从而减小了工程造价。

4、多层轻钢厂房的计算与设计要求

4.1计算方法

目前在对多层轻钢厂房进行结构设计时，存在一些简化公式进行手算，但是基本上大部分对其进行设计时，采用的是通用有限元结构分析程序或者钢结构设计专用程序。本工程所在地基本风压为0.3kN/m2，设计地震烈度为7度，场地类型为Ⅳ类，屋面恒载为0.5kN/m2，活载为0.3kN/m2，楼面层恒载为3.8kN/m2，活载为7.5kN/m2，其他楼层恒载为3.8kN/m2，活载为4.5kN/m2，

本工程进行结构的计算分析，主要计算的内容为框架杆件强度、刚度以及自振周期。考虑到本工程的结构采用的是纵向对称布置的形式，因此可以将其简化成平面结构模型。对于框架的附属结构则可以将其简化为荷载进行处理。

4.2设计基本要求

在对多层轻钢厂房进行设计时，框架梁柱应确保满足承载力的要求，刚架柱构件应确保满足稳定性的要求，钢框架应确保满足整体稳定性的要求。此外，还应对主刚架的整体横向刚度进行检验。如顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/500（风荷载作用下）等要求。

4.3结果分析

（1）结构振型和自振周期。本工程的多层轻钢厂房结构在水平方向上的主要振型并没有出现明显突变的问题，这表明本工程的结构体系沿着高度的方向上质量和刚度分别均较为合理。计算出本工程结构体系X方向的6个基本自振周期。振型1周期1.339s，振型2周期0.418s，振型3周期0.233s，振型4周期0.183s，振型5周期0.093s，振型6周期0.072s。

（2）主要构件尺寸。在本工程中，结构的框架梁柱采用的是焊接工字形截面形式。框架柱则采用双角钢和双槽钢支撑体系。根据构件尺寸的计算结果，并对梁柱截面规格尺寸进行了相应的优化和归并，如表1所示。同时计算结果表明，梁柱的设计应力均控制在规范规定的设计限制的90%以内，结构在水平荷载以及地震作用下所产生的侧向位移均满足相应要求。

结语：

多层轻钢结构厂房鉴于其具有施工便捷等优势而被广泛应用，结合工程特点对其采取合理的结构布置优化对于控制工程成本等具有重要意义。文章通过结合笔者工程实践经验，以某轻钢厂房设计为例，系统地探讨了钢结构厂房的结构布置优化方式，同时经过计算分析结果表明，本工程所采用的结构布置是合理有效的，可为同类工程提供参考实例。

参考文献：

[1]余安胜，叶修喜.谈轻型门式刚架厂房的优化设计[J].工程建设与设计，2010，（06）：18-22.

[2]蔡明喜，牛梦实.浅谈门式钢架轻型房屋钢结构优化设计[J].甘肃冶金，2011，（08）：227-229.