天津某新建二层钢结构厂房设计优化案例分析

刘宗峰

（青岛嘉诚电工咨询有限公司，山东 青岛266000）

1 工程概述

天津某新建年产6 000 台环保型中压智能开关柜项目1 号厂房位于天津市宝坻区，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组第二组，特征周期0.55s，场地类别为Ⅲ类，钢框架抗震等级三级[1]。厂房长102.0m，宽56.2m，1 层层高7.6m，2 层层高8.0m。1 层柱距为8.0m×8.5m，2 层局部抽柱，形成柱距为8.5m，跨度为24.1m+8m+24.1m 的门式钢梁体系。厂房楼面设计活荷载标准值为7kN/m2，轻型屋面设计活荷载标准值为0.5kN/m2[2]。

2 原设计概述

厂房原设计采用1 层框架，2 层门式刚架结构体系。每隔30～40m 布置1 道屋面及柱间支撑，共计布置4 道屋面及柱间支撑。采用平面建模分析，1 层框架按照普钢规范控制，2 层门式刚架按照门刚规范进行控制。纵向地震及风荷载传递由屋面支撑传给柱间支撑，再由柱间支撑传递给基础[3]。基础采用本地区常见钻孔灌注桩基础，桩长20.2m，桩径700mm，单桩竖向承载力特征值1 200kN，单桩水平承载力特征值100kN[4]。因纵向水平力仅由有柱间支撑区域桩基承担，因此，在柱间支撑区域柱底均为四桩承台，其余柱底均为单桩承台。桩位布置如图1 所示。

厂房1 层楼面采用DECK 板+混凝土组合楼盖，楼盖布置如图2 所示。楼面主要梁柱截面尺寸（优化前截面）如表1 所示。

3 优化设计

经过与业主沟通可知，业主的想法是为满足厂房生产工艺需求，尽可能地取消柱间支撑布置。通过查看图纸及模型，原分析采用平面建模分析不妥，因为厂房1 层为钢框架，纵向钢框梁影响了厂房的刚度，单纯用平面分析对整个厂房设计是欠缺的。再者，厂房纵向由柱间支撑承担水平力，仅为了承担较大的水平力而使柱间支撑区域桩数量较多，无疑造成了较大的浪费。经过初步分析，认为厂房采用矩形钢柱，结构形式采用钢框架+轻型钢结构屋面方案较为合理，因为矩形钢柱在2 个方向都具备刚度，把屋面系杆改为钢梁，屋面纵向钢梁与刚架刚接，形成框架体系。这样在纵向就可以取消柱间支撑，纵向水平力由框架承担，从而使所有桩基共同承担纵向水平力，可避免在柱间支撑区域布置大量桩以抵抗局部较大的水平力，从而有效减少了桩基的数量。设计时，屋面钢梁框架模型中定义门式钢梁[5]，楼面梁采用轧制H 型钢，用钢量较大且当前焊接H 型钢应用较为成熟，因此，决定楼面钢梁采用焊接H 型钢，且之前设计截面普遍偏大，经试算，具备一定优化空间，以控制钢梁应力比不超过0.8 为宜。采用PKPM 钢框架空间建模，楼面采用刚性楼板假定，考虑偶然偏心，屋面支撑采用杆件输入。经试算分析主要指标均满足规范要求[6]，且所有柱下柱下单桩即可满足水平及竖向承载力要求。主要参数指标如表2 所示，优化后梁柱截面如表1 所示。

图1 厂房桩位平面布置图（局部）

图2 厂房楼面结构平面布置图（局部）

表1 楼面主要梁柱截面尺寸

表2 厂房钢框架分析结果参数

4 优化前后经济性对比

厂房优化前主钢构件用量为784.7t，优化后主钢构件用量为716.7t，共计节省钢构件68.0t；优化前灌注桩数量为180根，优化后灌注桩数量为96 根，共计节省灌注桩数量84 根。按照当前市场价格700mm 钻孔灌注桩单价约750 元/m，Q345钢构件单价约8 000 元/t，二者相加共计节约造价180 多万元。

5 结语

本厂房优化采用通过改变原设计结构体系，创新性地运用钢框架+轻型屋面结构体系；取消之前的平面分析，转而采用更为合理的空间分析模型；楼面钢梁取消采用轧制H 型钢，转而采用市场大量应用的焊接H 型钢。从而取消了原设计柱间支撑，很大程度上满足了厂房工艺及生产需求，使厂房的实用性大大提高；且大大节省了钢结构用钢量及桩基数量，有效降低了项目造价。正所谓一举多得，是一个比较典型的成功设计优化案例，获得了业主的一致好评。