湖北某重型厂房刚架设计方案分析

蔡家润，张运森，刘炎炎

(机械工业第六设计研究院有限公司 工业与智能中心，河南 郑州450007)

湖北某重型厂房包括主厂房和生产辅房两部分，建筑面积约为40 000 m2，主厂房分为重型车间和数控车间两部分，结构形式为单层刚排架，基本柱距为12 m.其中重型车间横向总宽84 m，跨度自南向北分别为24 m、36 m、24 m，纵向总长201 m，檐口高度32 m；数控车间横向总宽91.6 m，跨度自南向北分别为19.3 m、24 m、24.3 m、24 m，纵向总长201 m，檐口高度14.85 m.按建设方要求，先建设重型车间，后建设数控车间.

1 刚架厂房结构设计方案

1.1 方案一：设单排柱

在设计重型车间时，考虑到数控车间的要求，每榀刚架的长度需要175.6 m.这超出了现行GB 50017-2017《钢结构设计标准》的限值[1].该规范规定：当单层房屋在纵向(横向)几何长度超出限值时，需设置纵(横)向温度伸缩缝，否则需考虑温度变形和温度应力对结构承载力的影响[2-3].

主厂房平面布置如图1所示.

图1 主厂房平面布置图

1.2 方案二：设双排柱

将重型车间和数控车间分别作为独立单元，在设计重型车间结构时就不必考虑数控车间的影响.这样，每榀刚架的横向宽度未超过规范的限值，可以不考虑温度应力的影响.

1.3 方案三：单排柱上设滑动支座

设计重型车间时在其最北侧的刚架柱上预留牛腿，并在牛腿上安装滑动支座，以抵消温度应力产生的位移，减小温度应力对刚架主体的影响[4].

2 内力计算

2.1 方案一的内力计算

在方案一(即横向宽度超过规范限值)中，为了计算结构的作用效应，将两个车间按一个单元来考虑温度应力的影响[5].主厂房的剖面布置(单排柱)如图2所示.图2中：Gn为吊车吨位；S为吊车跨度；A5为吊车工作等级；…分别为A轴、B轴…….下文字母含义相同.

图2 主厂房的剖面布置图(单排柱)

以结构承载力极限状态为设计目标，根据荷载效应基本组合，采用软件可计算出各柱的内力、温度应力比、位移等(表1).荷载效应基本组合考虑了恒荷载(0.4 kN/m2)、活荷载(0.4 kN/m2)、风荷载(0.35 kN/m2)、温度荷载(升温36 ℃，降温-5 ℃)[6].

表1 方案一柱内力、温度应力比、位移及柱截面

2.2 方案二的内力计算

方案二将两个车间分别作为独立单元进行设计，即通过双排柱形成横向温度伸缩缝.主厂房的剖面布置(双排柱)如图3所示[7].

以结构承载力极限状态为设计目标，根据荷载效应基本组合，采用软件可计算出各柱的内力、温度应力比、位移等(表2).荷载效应基本组合也考虑恒荷载(0.4 kN/m2)、活荷载(0.4 kN/m2)、风荷载(0.35 kN/m2)、温度荷载(升温36 ℃，降温-5 ℃)[8].

表2 方案二柱内力、温度应力比、位移及柱截面

2.3 方案三的内力计算

方案三在单排柱上设置滑动支座，可将横向超长结构分为主结构和子结构，主结构与子结构均满足规范要求的温度区段限值.主厂房的剖面布置(滑动支座)如图4所示.子结构通过在刚架梁端部设置的滑动支座与主结构连接.这种构造措施允许主结构柱顶一定限值的自由位移，从而释放大部分内力.当柱顶位移达到限值后，主结构与子结构共同工作，以抵抗水平荷载[9].

以结构承载力极限状态为设计目标，根据荷载效应基本组合,采用软件可计算出各柱的内力、温度应力比、位移等(表3).荷载效应基本组合同样考虑恒荷载(0.4 kN/m2)、活荷载(0.4 kN/m2)、风荷载(0.35 kN/m2)、温度荷载(升温36 ℃，降温-5 ℃).

图4 主厂房的剖面布置图(滑动支座)

3.设计方案的对比

3.1 柱截面

表1与表3的计算结果显示，方案一因GZ-G柱、GZ-H柱截面较大，所以其每榀刚架用钢量比方案三多500 kg.

表2与表3的计算结果显示，方案二因GZ-H柱截面较大，且比方案三多用一排刚架柱，所以其每榀刚架用钢量比方案三多3 050 kg.

表3 方案三柱内力、温度应力比、位移及柱截面

3.2 基础问题

方案一：GZ-G柱的基础截面尺寸为4 800 mm×2 200 mm，GZ-H柱的基础截面尺寸为6 000 mm×3 000 mm.

方案二：GZ-D1柱的基础截面尺寸为3 200 mm×1 600 mm，GZ-G柱的基础截面尺寸为4 800 mm×2 000 mm，GZ-H柱的基础截面尺寸为4 200 mm×2 600 mm.由于重型车间已经建好，基础施工已完毕，GZ-D1的基础与原基础相碰触而无法避让.

方案三：GZ-G柱的基础截面尺寸为3 600 mm×1 600 mm，GZ-H柱的基础截面尺寸为3 800 mm×2 500 mm.

3.3 构造措施

方案二中双排柱的立面布置和基础如图5所示.从图5可以看出，如只需满足刚架柱的布置需要，D轴与1/D轴的距离仅为2 000 mm即可；如需满足基础的布置需要，D轴与1/D轴的距离则为5 250 mm.采用此方案就会增加厂房的建筑面积.

方案三采用在D轴处柱顶横梁端部设置滑动支座的构造措施(图6).这种构造措施可提供主结构柱顶一定限值的自由位移，从而释放大部分的温度应力，当柱顶位移达到限值后，主结构与子结构共同工作来承担水平荷载.此外，设计时应加强建筑围护体系，包括：在有滑动支座的两侧分别设置屋面支撑；屋面板在此处断开并分别采用可拉伸的盖板与两侧结构体连接.

图5 双排柱立面布置和基础图

图6 滑动支座构造

3.4 对比结果分析

(1)从经济性上比较，方案一的后两排边柱截面较大.对于每榀刚架，方案一比方案三多用钢500 kg.方案二的最后一排边柱截面较大且增加一排刚架柱.对于每榀刚架，方案二比方案三多用钢3 050 kg.方案三用钢量最少.方案一的后两排基础截面都比方案三大，方案二的后两排和双柱处基础截面都比方案三大，方案三基础面积最小.因此，方案三经济上最省.

(2)从技术性上比较，方案三可以灵活设计，如果后期有工艺上的变动，因主体钢结构已经施工完毕，就不会出现方案二中基础碰撞而无法处理的问题.因此采用该方案最合理.

4 结束语

对某重型厂房刚架设计方案对比分析可知，钢构重型车间后期缓建普通钢构部分总体超宽，最后两排边柱受温度应力影响较大.采用单排柱上设置滑动支座措施，允许主结构柱顶一定限值的自由位移，从而释放大部分温度应力，同时，计算主结构在最不利工况下柱顶的最大位移，将该位移作为滑动支座的位移限值.这种措施既能有效减小单层多跨超宽钢结构车间的结构温度应力、降低工程造价，又可不设置伸缩缝，保持厂房的连续性，提高空间使用率，对类似工程具有参考意义.