某热镀锌车间高跨厂房刚架设计总结与思考

李 显 峰

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

0 引言

单层钢结构厂房广泛应用于冶金、电力、造船、机械制造等行业，为满足生产工艺和生产设备的改进更新，越来越多超高单层钢结构厂房出现。由于与普通单层厂房存在较大差别，给设计人员造成不少设计困扰。现对广西防城港市某冷轧厂的热镀锌车间高跨厂房刚架设计进行总结，重点讨论风荷载的取值与计算，分析结构自振周期对风和地震作用的不同影响，以期为以后类似工程设计提供借鉴。

1 工程概况

本工程所在地抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。特征周期Tg=0.35 s。本厂房结构抗震设防类别为丙类。

本工程所在地属于典型的海洋性季风气候，受台风影响明显，年平均1.5个，历年最大台风17级(登陆时15级)。基本风压：0.8 kN/m2(距地面10 m处)，地面粗糙度A类。基本雪压：0 kN/m2。

热镀锌车间高跨厂房刚架为单跨结构，跨度为50.0 m，刚架平均间距为15.0 m，檐口标高为71.670 m。屋面及墙皮均采用单层压型钢板封闭。厂房内设双层吊车，上层吊车轨面标高为65.000 m，下层吊车轨面标高为35.600 m。

2 结构选型

厂房横向采用刚接框架受力体系，纵向采用由柱、柱间支撑、系杆及吊车梁组成的铰接排架受力体系。厂房柱采用双阶柱，在吊车梁标高处变阶。本工程下柱和中柱采用四肢钢管混凝土格构式柱，在下层吊车处设置肩梁将下柱分为两段，上柱采用H型钢柱，屋面梁采用变截面H型钢梁。钢管混凝土构件具有承载力高、塑性和韧性好以及造价经济合理等优点，能以较小直径的柱肢取得较大的截面抗弯刚度。格构柱柱肢以受轴压力为主，充分发挥了钢管混凝土受压承载力高的特点，适用于荷载偏心率较大或长细比较大的结构中。

刚架立面如图1所示。

3 刚架的设计与计算

3.1 风荷载的取值与计算

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范第8.1.1条第1款规定，在计算主要受力结构时，垂直于建筑物表面的风荷载标准值应按下式计算：

wk=βzμsμzw0

(1)

式(1)中风荷载体形系数μs和风压高度变化系数μz分别由《建筑结构荷载规范》表8.3.1和表8.2.1查得。

由以上工程概况知上式中基本风压w0=0.8 kN/m2。

对于风振系数βz，《建筑结构荷载规范》8.4.1条正文规定：“对于高度大于30 m且高宽比大于1.5的房屋，以及基本自振周期T1>0.25 s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺向风振的影响。” 工业厂房一般高宽比不大于1.5，本工程厂房高宽比H/B=(71.67+0.8)/50=1.4，因此，单层工业厂房又不属于高耸结构。以此来判断，工业厂房一般不用考虑风振的影响。在进行单层工业厂房设计时，通常均取风振系数βz=1.0。

而本规范8.4.1条的条文说明规定：“……当结构自振周期T≥0.25 s时，以及对于高度超过30 m且高宽比大于1.5的高柔房屋，由风引起的结构振动比较明显，而且随着结构自振周期的增长，风振也随之增强。因此在设计中应考虑风振的影响……”。单层工业厂房自振周期一般都大于0.25 s，并且很多都大于1 s，甚至有的大于2 s,由PKPM计算结果可知，本工程厂房刚架第一振型周期为1.3 s，远大于0.25 s。由此判断，风振对单层工业厂房的影响很大，不能忽略。

如何理解规范正文和条文说明的歧义。本质上讲，风振影响的大小与结构高度以及高宽比是没有直接关系的，同样高度以及高宽比的房屋因为结构刚度的不同(如多层框架结构和单层排架结构)，结构自振周期相差是很大的，甚至是几倍的关系，风振的影响相差也很大。规范正文中描述的“……高度大于30 m且高宽比大于1.5的房屋……”是个很粗略和宽泛的判断，应该是在无法知道结构自振周期的情况下基于一般经验的判断，并且仅适用于多层框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构以及框架核心筒结构等刚度相对较大而自振周期相对较小的结构。而单层工业厂房虽然高度或高宽比没有超过规范正文中的判断条件，但是因为刚度很小，自振周期较长，风振的影响很明显。所以单层工业厂房并不适合采用规范正文中高度和高宽比的条件来判断是否计算风振影响。另外，国内外相关研究论文也认为：对于单层工业厂房设计，在计算风荷载时应考虑风振系数。并且基本风压越大、地面越粗糙、结构自振周期越长(一般来说，结构高宽比越大，跨度越大，构件截面越小，结构就越柔，自振周期也就越长)，风振系数也越大。在以往设计时，一般仅根据厂房高度和高宽比来判断是否考虑风振的影响，这种处理方法是存在问题的。特别是对于风荷载起控制作用时，结构计算不考虑风振的影响是不安全的。

3.2 刚架截面选择与计算

厂房刚架下柱和中柱采用四肢钢管混凝土格构式柱，上柱采用H型钢，屋面梁采用变截面H型钢。柱底刚接，屋面梁与上柱刚接。

横向刚接框架的格构柱应选取合适的肢距，肢距过小，计算得的柱肢截面偏大，且难以满足水平位移的限制要求，不经济，不合理；肢距过大，则会占用过多的空间，肩梁部位也浪费，也不合理。实际工程中应根据刚架高度、风压、地震作用进行多次试算和比较，以此来确定格构柱肢距合理尺寸。

另外，根据计算分析，风荷载水平作用主要由边柱承受，而地震作用主要根据柱刚度和受荷范围来分担。所以，对于两跨及两跨以上的厂房，在地震作用较小、风荷载较大的地区，边柱应尽量采用较大的肢距，中柱可采用较小的肢距；在地震作用较大、风荷载较小的地区中柱肢距应大于边柱肢距。

本工程为单跨结构，计算结果表明，由风荷载引起的柱内力为地震作用引起的柱内力的20倍，风荷载在刚架内力组合中起绝对控制作用。经过试算比较，最终确定的格构柱肢距较大(5.50 m)，符合上述原则。

刚架计算中，钢管混凝土格构式柱的整体承载力和单肢承载力均应满足规范要求。

根据《钢结构设计标准》B.2.1条，将风荷载作用下的柱顶位移控制在H/400以内。

4 刚架自振周期T对风振和地震作用影响的比较

刚架自振周期T一般在1 s～20 s，风荷载的卓越周期较长，一般在20 s～60 s。刚架自振周期越长，越接近风荷载的卓越周期，风振作用影响越明显。而地震作用的特征周期Tg一般较短，例如，对于设计中常见的Ⅱ类建筑场地，在设计地震分组为第一组时Tg为0.35 s，第二组时Tg为0.40 s，第三组时Tg为0.45 s。一般来说，地震作用的特征周期Tg小于刚架的自振周期T，根据地震影响系数曲线可知，自振周期越短地震作用越大，反之越小。

在满足变形要求的前提下，应该根据当地的风压、抗震烈度的大小采用合理的结构形式进而获得合理的结构刚度，以减小水平荷载作用。对于本工程来说，风荷载作用较大，地震作用较小，风荷载起控制作用，应尽量增大刚架的刚度，减小刚架的自振周期；而对于风荷载较小，地震作用较大，地震作用起控制作用的地区，应尽量减小刚架的刚度，增大刚架的自振周期。

5 关于刚架柱下层吊车位置节点做法的思考

对于超高单层钢结构厂房，由于厂房高度很大，在风荷载作用下，柱底弯矩很大，格构柱计算需要的柱底肢距很大。而由格构柱弯矩分布图可知，弯矩沿高度方向接近三角形分布，柱顶弯矩很小，计算需要的柱顶肢距较小。传统做法是在下层吊车位置对下柱进行变阶，将其分成两段，采用不同肢距。变阶处要设置作为柱转换节点的肩梁，同时支承吊车梁。经计算，本工程满足强度和刚度要求的肩梁高度为2.90 m。

在以后的工程设计中，可以尝试采用肢距沿高度均匀变化的梯形格构柱，在下层吊车位置设置牛腿，支承吊车梁，刚架柱的这种做法既符合弯矩分布特点，又省掉了作为柱转换节点的肩梁。经计算，本工程满足强度和刚度要求的牛腿高度仅为1.50 m。

下层吊车位置两种节点做法见图2。

经过计算，采用两种不同做法，节点耗钢量对比见表1。

表1 两种节点做法耗钢量对比表

由表1可知，下层吊车位置节点采用新做法，更为经济。另外，由图2可知，采用新做法的节点构造更为简洁。

值得注意的是，新做法下柱肢距沿高度均匀变化，柱子外形有别于肢距固定的传统做法，设计过程中应该和工艺专业、甲方及施工单位充分沟通，以免造成不必要的麻烦。

6 结语

对于超高单层钢结构厂房，风荷载对刚架计算起控制作用。风荷载计算时应考虑风振系数的影响，一般来说，基本风压越大、地面越粗糙、结构自振周期越长，风振系数也越大。对于刚架的钢管混凝土格构柱，在下层吊车位置，传统做法设置肩梁进行变阶，耗钢量很大；采用截面高度均匀变化的梯形格构柱，在下层吊车位置设置牛腿取代肩梁，既符合刚架柱受力特点，又能大大节省钢材。