重型钢结构厂房结构设计探讨

王 俊

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，钢产量的稳步增加，基建项目决策理念的转变，越来越多的工业建筑采用了钢结构建造，形成了钢结构厂房。在钢结构厂房中，钢结构的优势也充分展现：钢结构构件强度高，适应大跨度；延性好，抗变形能力强，抗震抗风性能好；整体重量轻，节省基础投资费用；构件工厂化制作，挺高了劳动生产率，提高了加工精度，减少了现场焊接工作量，减少了劳动力成本；预制构件现场安装，缩短了建设周期短，减少银行贷款利息支付；施工噪音及“三废”少，符合绿色生态环保理念，符合碳中和，碳达峰节能减排目标；钢结构建筑完成使命后可全部拆卸回收，再次利用，真正实现资源循环利用，持续发展。

钢结构厂房有轻钢结构厂房和重钢结构厂房之分。一般根据吊车吨位和平方米含钢量来区分。平方米含钢量在75 kg、单台吊车起重吨位50 t以上可定义为重型钢结构厂房。

重型钢结构厂房需要进行结构设计，对结构刚度、强度进行控制，满足安全、经济、适用、可行等原则。对重钢结构设计关键技术问题的探讨，对类似工程设计具有指导意义，可减少探索时间、加快设计进度，提高设计效率，更好地为业主服务，为国家建设服务。

1 设计基础资料

1.1 自然条件

建设地点云南武定，生产产品高钛渣，抗震设防烈度7度，基本地震加速度0.15 g，设计分组第三组，场地类别II类。基本风压0.3 kN/m2；基本雪压0.35 kN/m2(百年一遇)。

1.2 厂房布置

厂房长度120 m，宽度51.6 m，柱顶高度29.5 m，柱距12 m，18 m，跨度18.4 m，14.4 m，1层建筑面积5 058 m2。平面布置见图1，建成后厂房见图2。

图1 车间柱网平面图

图2 建成后的厂房图

1.2.1 柱距确定

厂房柱距根据生产工艺条件确定。如⑦～⑨线间DC炉车间局部伸入主厂房内，柱距布置为12 m，这样能满足8条DC炉轨道伸入主厂房内的要求；铁水运输区①～②线间需要布置18 m柱距才能满足铁水运输通道要求；其他部位布置12 m柱距可较好地发挥柱的承载作用，可减少基础数量，综合投资较省。

1.2.2 柱截面初定

柱截面大小需要考虑吊车荷载及吊车位置、最小净宽、屋顶荷载、风荷载、地震作用，综合确定，结构剖面图见图3。重型吊车作用下的双肢柱，吊车梁宜放置在肢柱上，目的是减小吊车轮压因偏心对双肢柱的不利影响。

图3 结构剖面图

柱截面初步确定时按柱高确定，下柱截面高度取h=(1/15～1/20)H，上柱截面取h=(1/9～1/12)H1，上柱设人孔柱截面高度hc≥200+450+200=850 mm，柱截面宽度b=(1/2～1/5)hc及400 mm。

中柱下段最小截面高度为人孔柱截面高度加左右行车安全距离c加吊车轮中心到外缘距离b，hmin=b+c+hc+c+b=300+100+850+100+300=1 650 mm，实际取h=2 000 mm，吊车梁放置于支柱上，并使上柱留有吊车运行安全距离。

左柱、右柱下柱段最小截面高度hmin=hc+b+c=850+300+100=1 250 mm，实际取h=1 800 mm，符合最小柱高要求，柱截面尺寸见表1。

表1 柱截面尺寸

1.2.3 厂房跨度确定

厂房跨度根据生产使用要求，考虑人孔柱截面、吊车安全运行净空空间、制动板架选型标准后综合确定。

工艺生产要求吊车跨度S=16.5 m，考虑插入距后，取下柱中心为轴线位置，跨度L=0.9+16.5+1=18.40 m，标准跨度为18 m，多出的0.4 m(0.15 m+0.25 m为插入距。吊车外缘到左柱、右柱柱边的净距离600 mm，到中柱外缘柱边的净距离为200 mm，满足吊车运行最小净距离100 mm要求，对吊车运行增加了安全感。

1.3 起重设备参数

结构设计中，起重设备对结构强度和刚度影响的主要参数是轮压及支座反力，目标是确定最小轮压Pmix、支座上的最大最小反力Rmax，Rmin及纵横向水平刹车力T。

1.3.1 1区主跨设备参数

最小轮压Pmix=(Ge+g+Q)/n-Pmax

=(432.8+155+500)/2-377

=166.9 kN

支座反力Rmax，Rmin，采用图解方式求解。结构分析时，选择⑤线处进行计算。绘制支座反力影响线，见图4。左右跨度按实际绘制，1个轮压作用在支座上时，影响系数取为1.0，由1.0线的端部向左右支座连斜线，每个轮子接触面到斜线的竖直距离为对应轮压的影响线，各个轮压下影响系数之和为综合影响系数η，轮压P(Pmax，Pmin)与η的乘积为支座反力R(Rmax，Rmin)。轮压下反力影响线见图4，反力综合影响系数η

图4 支座反力影响线图(单位：长度-m，力-kN)

η=0.6+1+0.84+0.431=2.871

由此求得最大支座反力Rmax=ηPmax=2.871×377=1 082.4 kN

最小支座反力Rmin=ηPmix=2.871×166.9=479.2 kN

横向水平刹车力T=(Q+g)α

T=(500+155)×10 %=65.5 kN

每个车轮上分到的水平刹车力T1=T/n，每台吊车共4个车轮，因此n=4。

T1=65.5/4=16.4 kN

支座上水平刹车力Tmax=ηT1=2.871×16.4=47.0 kN

1.3.2 2区主跨设备参数

图5 75 t吊车轮压支座反力影响线图(单位：长度-m，力-kN)

最小轮压Rmin=(Ge+g+Q)/n-Pmax=(717+240+750)/4-285=141.75 kN

绘制反力影响线求得η=0.492+0.633+0.858+1.0+0.742+0.6+0.375+0.233=4.933

由此求得最大支座反力Rmax=ηPmax=4.933×285=1 405.91 kN

最小支座反力Rmin=ηPmix=4.933×141.75=699.25 kN

横向水平刹车力T=(Q+g)α

T=(750+240) ×8%=79.2 kN

T1=79.2/8=9.9 kN

Tmax=4.933×9.9=48.84 kN

1.3.3 单台吊车作用下的参数

吊车作用下位移控制仅考虑1台75 t吊车作用，同过反力影响线图6，求得：

η=2.983，Rmax=850.2 kN，Rmin=243.7 kN，Tmax=29.53 kN

吊车荷载简图见图6。

图6 吊车梁荷载简图

1.4 屋面布置及屋面荷载

屋盖按轻型屋面设计。屋面板为双层夹芯彩板，高频焊接H型檩条，12 m柱间及18 m柱间设置托架，托架中部布置屋架，目的是减少屋面檩条的计算长度，从而减小檩条截面尺寸，降低檩条含钢量。为保证屋架正常发挥承载力作用，屋盖需要形成空间结构，屋面上弦需要布置横向水平支撑及系杆，屋面下弦布置纵向、横向水平支撑及系杆。因为车间内布置的吊车起重量超过50 t，所以屋架应按计算内力重新新设计屋架。

恒载取值：包括屋面彩板、檩条、支撑、系杆、拉条、托架等构件的屋面恒载，初算时取0.6 kN/m2，活荷载取0.5 kN/m2。屋面荷载计算单元简图见图7。

①集中力传到屋架节点上；②集中力传到柱顶上。

托架上的荷载按节点力计算传到柱顶，檩条传来的荷载也按节点力传到屋架节点上。

托架传来的恒载集中力：

P1d=3×9.2×0.6+3×9.2×0.6=33.12 kN

P2d=P1d=33.12 kN

P3d=3×4.4×0.6+3×4.4×0.6=15.84 kN

P4d=P3d+P5d=26.64 kN

P5d=3×3×0.6+3×3×0.6=10.8 kN

托架传来的活荷载集中力：

P1l=3×9.2×0.5+3×9.2×0.5=27.6 kN

P2l=P1l=27.6 kN

P3l=3×4.4×0.5+3×4.4×0.5=13.2 kN

P4l=P3l+P5l=22.2 kN

P5l=3×3×0.5+3×3×0.5=9.0 kN

檩条传过来的恒荷载：

Ptd=1.5×3×0.6+1.5×3×0.6=5.4 kN

檩条传过来的活荷载：

Ptl=1.5×3×0.5+1.5×3×0.5=4.5 kN

屋面荷载简图见图8。

图8 屋面荷载简图

1.5 吊车梁截面确定

吊车梁标准跨度为12 m，选用12 m实腹式图集中重级工作制(A6，A7)Q345钢吊车梁，50 t吊车选用GDLZM12-11，截面工字形腹板-1 500×14，上翼缘板-550×22，下翼缘板-300×22，劲板-120×8@1 500；75 t吊车选用GDLZM12-15，截面工字形腹板-1 800×12，上翼缘板-550×22，下翼缘板-360×22，劲板-120×10@1 500。18 m跨和24 m跨吊车梁采用变截面，端部高度同12 m跨梁高，中部变高，高度按L/8取用。吊车梁复核时设置制动板、边梁、竖向辅助桁架、水平支撑，制动板板厚8 mm，边梁采用槽钢。吊车梁复核、设计采用PKPM钢结构工具设计。轨道选用QU100，截面150×150×100×38。

牛腿标高根据吊车梁高度、轨道高度和支座垫板厚度确定。

1.6 伸缩缝布置

热车间，纵向温度伸缩缝区段长度为180 m，横向温度区段伸缩缝区段长度为125 m，超过标准时，需要设置温度伸缩缝，设缝时，需要设置双柱、联合基础。该项目纵向长度120 m<180 m，横向长度51.6 m<125 m，故不需要设置横向及纵向伸缩缝。

2 厂房结构受力

排架结构需要取横向和纵向计算单元进行结构内力分析，不同跨度、不同柱距的计算单元要分别取出计算，根据计算结果，取大值包络设计。设计时分别取出②线，⑤线，⑦线，⑧线，⑨线和线、线、Ⓒ线等计算单元进行分析，按不利的结构单元分析结果，确定构件截面尺寸，控制位移、强度、稳定满足规范限值。⑧线结构为抽柱结构，考虑屋盖空间作用，吊车水平刹车力、柱间风荷载等将通过柱顶屋盖刚度协调传给相邻的排架柱，故应按结构分担的荷载进行单元划分和刚度划分。

文中限于篇幅限制，选取⑤轴线单元做实例分析，建模进行结构计算。

2.1 模型建立

采用PKPM钢结构二维设计模块建立模型。在柱底、柱顶、牛腿处、屋面梁处设置节点。柱底标高取-500 mm，跨度按18 400 mm设置，将屋架建入模型中。屋架轴网参考梯型屋架图集中GWJ18详图轴线尺寸确定，屋架坡度取1：10，端部高度1 500 mm，节点间距3 000 mm，上弦节点间距1 500 mm。

构件截面：左、中、右柱采用格构柱，按表1中截面尺寸输入试算，不满足则调整。左、右柱截面外形控制600×1 800 mm，中柱为600×2 000 mm；上柱采用H型钢柱，柱中部设置纵向加劲用于满足腹板高厚比限值，加劲肋在腹板两侧成对布置，其一侧外伸宽度为板件厚度t的10倍，厚度为0.75 t，左右柱上柱段H900×300×10×16，中柱上柱段H1 000×300×12×16，加劲板-120×10，模型中按十字柱输入。

屋架构件上、下弦杆采用L120×80×10，斜杆采用2L80×8输入验算。

铰接处理：屋架杆件上下弦端部、竖腹杆和斜腹杆端部简化为铰接，柱顶简化为铰接。

计算长度：屋架端部竖杆及端部第一根斜杆计算长度取节点间距，计算长度系数1.0，其他腹杆计算长度取0.8节点间距，上下弦杆平面内计算长系数度取1.0，平面外计算长度取水平支撑点间距，上弦取3 000 mm，下弦杆平面外计算长度取6 000 mm。

2.2 荷载输入

恒载：见1.4节计算。

屋架上恒载由檩条传来Ptd=5.4 kN

柱顶集中力由托架传来P1d=33.12 kN

活荷载

屋架上活载由檩条传来Ptl=4.5 kN

柱顶活载集中力由托架传来P1l=27.6 kN

风荷载，见表2、图9。

图9 左风荷载简图

表2 左风荷载计算表

q=βμsμzWoL

式中：

β——调整系数，取1.1；

μs——风荷载体型系数，柱迎风面取0.8，背风面取-0.5，屋面-1.3，-0.7；

μz——风压高度变化系数，地面粗糙类别B类，15 m高μz取1.13，20 m高处取1.23，30 m高处取1.39；

Wo——基本风压(kN/m2)，取0.35 kN/m2；

L——迎风面宽度(m)，取12 m。

吊车荷载：吊车起吊时，最大最小轮压产生的支座反力最大值、最小值、水平刹车力计算见1.3节，吊车荷载简图见图4。

2.3 参数设置

结构类型参数：选择单层钢结构厂房，设计规范《钢结构设计标准》(GB50017)计算，执行《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018)。设计控制参数，程序自动确定容许长细比，受压构件的容许长细比λ取150，受拉构件容许长细比200，柱顶位移和柱高度比1/400。

总信息：钢材钢号Q345(Q355)，截面板件宽厚比等级S4级。

地震计算参数：地震影响系数取值依据10抗规(16年修订)，地震作用计算：计算水平地震作用，抗震等级四级，计算振型数9个，场地类别II类，特征周期Tg取0.45 s，水平地震影响系数最大值0.12，周期折减系数0.8，阻尼比0.045，地震力计算方式振型分解法CQC法。

分项系数及组合系数见表3、表4.

表3 荷载分项系数

表4 荷载组合系数

2.4 结果分析

分析计算由程序自动计算完成。

(1)超限信息：柱构件、梁构件和柱顶位移均无超限信息，说明构件选择合理。

(2)水平地震标准值作用底层剪力：126.4 kN；底层最小地震剪力(抗震规范5.2.5条)：52.6 kN。

(3)周期

第1振型周期0.92 s

第2振型周期0.43 s

第3振型周期0.256 s

(4)位移控制

1台吊车作用下牛腿处位移10.3 mm，与牛腿处柱高之比为1/1 886<1/1 250，满足限值。

左风荷载作用下柱顶位移为34.8 mm，与柱高之比为1/862<1/400，满足限值。

左地震作用下位移柱顶位移31.5 mm，与柱高之比为1/952<1/400，满足限值。

恒+活位移8.6 mm，与跨度之比为1/2 140<1/400，满足限值。

(5)柱平面内计算长度，见表5。

表5 柱计算长度系数表

(6)柱应力比

格构柱按压弯构件计算截面强度、弯矩绕虚轴作用平面内整体稳定性，计算结果见表6，弯矩作用平面外的整体稳定可不计算，但应计算分肢的稳定，分肢的轴心力按桁架的弦杆计算，计算结果见表7。

表6 格构柱的强度、平面内整体稳定计算结果表

(7)钢格构柱总量统计，见表8。

表8 单榀构件重量统计表

2.5 人孔柱验算

将人孔两侧的分肢视为单向压弯构件，计算每个分肢的强度和在排架平面内和平面外的稳定。每个分肢的计算长度，在平面内和平面外，均取人孔净高。人孔类型：圆孔，人孔钢号：Q345。

人孔柱内力取上柱最大内力，N=416 kN，Mx=-824.9 kN·m，V=117.7 kN。

人孔高l=2 000 mm，人孔宽W=450 mm。

人孔杆件HN1000×300×12×16，b=300 mm，t=16 mm，t1=t2=12 mm。

单肢内力

N1=N/2+Mx/y0

Mx1=Vl/4

V1=V/2

验算结果：

人孔单肢强度151.46<305 N/mm2，满足。

人孔单肢平面内稳定验算156.04<305 N/mm2，满足。

人孔单肢平面外稳定验算176.96<305 N/mm2，满足。

2.6 柱肩梁验算

柱肩梁的腹板近似地按简支梁计算，见图8。作用于肩梁上的力P1、P2按下列公式计算：

P1=N/2+Mx/h1

P2=N/2-Mx/h1

图10 肩梁计算简图(a)边列柱(b)中列柱

肩梁的强度按下式计算

抗弯强度

抗剪强度

h1=1 500，h2=2 000，Mx=1 687.8 kN·m，N=2 484.81 kN

P1=2 367.6 kN，P2=117.2 kN

左肢反力Ra=1 775.8 kN，左肢反力产生的弯矩M=887.5 kN.m

肩梁高1200，腹板厚度-16 mm，翼板-600×30 mm，Q345钢材

弯曲应力35.5<295 N/mm2，满足。

剪切应力101<175 N/mm2，满足。

3 重型钢结构厂房结构设计关键技术小结

(1)结构跨度布置时，应重点关注吊车水平净空和垂直屋架下弦净空要求。

(2)12 m柱距宜在柱顶设置托架或托梁支撑屋架。

(3)格构柱外形尺寸应与吊车梁选用图集配合确定。

(4)应根据影响线确定最大轮压和最小轮压作用下支座上的反力值。

(5)重型钢结构屋面荷载与一般轻型钢结构屋面荷载有所不同，需要注意。

(6)风荷载对结构影响较大，需要手工复核输入。

(7)应建立横向、纵向计算模型进行结构受力分析。

(8)输入参数应选择单层钢结构厂房，并按《钢标》进行计算。

(9)输出结果应首先检查是否存超限信息，若有，应修改设计，直到消除超限信息。

(10)位移指标控制，风荷载、地震荷载作用下柱顶位移应控制在1/400。

吊车位移控制，仅考虑一台吊车作用下牛腿处水平位移控制在1/1250。

(11)格构柱需要验算柱强度、绕虚轴整体稳定、分肢强度、分肢稳定、缀条稳定、平面内、外长细比、构件高厚比、宽厚比等指标。

(12)人孔柱需要对分肢进行强度和稳定验算。

(13)柱肩梁需要进行强度和稳定计算。

4 存在问题

因篇幅有限，仅选取1个计算单元进行分析。实际设计时，应对不同跨度、不同荷载分布单元、纵向等计算单元，建立计算模型，对结构进行分析，并取大值包络设计。

5 结 语

将设计成果应用于实际工程，促进了设计人员对重型钢结构厂房设计研究，对厂房设计中结构布置、模型建立、内力分析、指标控制、节点设计、构造措施处理等结构设计关键点探讨，为今后工程设计提供借鉴参考。展望未来，大量的工业建筑采用钢结构设计，符合绿色生态环保，符合碳中和，碳达峰节能减排目标，对钢结构设计研究，将大大提高劳动生产率，提高设计质量，更好地为业主服务，为国家建设服务。