重型钢结构厂房设计与应用研究

重型钢结构厂房设计与应用研究

苗强

中冶华天工程技术有限公司，江苏 南京 210019

摘要：在重型钢结构厂房设计过程中，需要考虑重型钢结构厂房的特点，选择正确的设计方案，并且加强对现场情况的勘察，结合以往工作经验预测重型钢结构厂房在设计中常见的问题，在此背景下选择合适的应对方案，确定厂房结构设计的思路，不断提高重型钢结构厂房设计的科学性，为厂房的使用提供重要的基础。

关键词：重型钢结构厂房；设计；方法

由于重型钢结构厂房的特殊性以及后续使用的高要求，在前期设计过程中，设计人员需严格遵循相关规范要求，确定重型钢结构厂房的设计重点，并选择经济合理的结构方案，使厂房能够在使用年限内满足各种功能需求，优化原有结构设计方案，凸显现代化的设计思路。

一、重型钢结构厂房设计的要求

（一）高稳定性

高稳定性是重型钢结构厂房设计中的重要要求之一。随着工业化进程的不断发展，厂房作为生产的核心场所，其结构稳定性直接关系到工作环境的安全和生产效率的提升。首先，高稳定性要求重型钢结构厂房在面对自然灾害时具备可靠的抗力。因此在设计中需充分考虑场地类别、地震设防烈度等因素，保证厂房的稳定性。为此，在结构设计中应采用合适的结构设计方案和抗震措施，以提升厂房的稳定性和安全性。

其次，重型钢结构厂房应能满足正常使用极限状态及耐久性的要求，随着时间的推移，厂房结构会逐渐出现疲劳和老化，因此在设计过程中需通过采用经济合理的结构形式，如焊接工字型吊车梁腹板与上翼缘焊接区易出现疲劳裂损，可采取腹板上增厚梁及Y型梁等做法改善该部位的受力状态；根据环境类别，确定腐蚀等级及防腐设计年限，采取合适的防腐涂装措施，提高结构的耐久性。从而确保厂房长期稳定、安全的使用。此外，高稳定性还要求重型钢结构厂房的结构布局合理，能够充分发挥结构的整体性。通过合理的抗震措施、合理的结构布局，确保重型钢结构厂房在长期使用过程中保持稳定、安全地运行，为制造业的发展提供坚实的支撑[1]。

（二）高安全性

高安全性是重型钢结构厂房设计的首要要求。钢结构厂房需要考虑多方面来保证其高安全性。在工业生产过程中，火灾是一种较为常见的灾害。因此在设计中应注重考虑火灾防控措施。如设置防火墙和防火门以分隔不同的生产区域，以及合理布置疏散通道和应急出口等。此外，在钢结构厂房的设计中还需要考虑安全通道和疏散设施的规划。在紧急情况下，人员需迅速疏散到安全区域，因此，设计中需要合理设置疏散通道，并设置明显的指示标识和应急疏散设备。定期检查和维护也是保证钢结构厂房安全性的重要环节。厂房投入使用后，需定期进行检查和维护，及时修复，确保其长期的安全使用[2]。

二、重型钢结构厂房设计与应用

随着钢铁工业的发展，钢材因其强度高、结构重量轻，安装速度快等优点被广泛用于各行各业。其中重工业钢结构厂房在我国各钢铁厂、造船厂、重型设备制造厂的生产车间中均有广泛的应用。钢结构厂房根据其组成特点主要分为如下几个系统：框排架系统、屋盖系统、吊车梁系统、墙架系统。

（一）框排架系统的设计

根据适用条件的不同，框排架柱可分为等截面柱、阶形柱、分离式柱及组合柱等不同类型。

对于无吊车或吊车起重量较小的轻型厂房可采用等截面柱；阶形柱为沿高度截面变化的柱，分为单阶、双阶柱或多阶柱，被广泛用于各类钢结构厂房中；分离式柱为两根独立柱肢由水平构件沿高度连成整体的柱，该种形式的柱构造简单，安装方便，但因耗钢量较大，大多在厂房有扩建预留需求或厂房柱侧设有露天栈桥，作为栈桥柱的一肢时采用。组合柱即钢与混凝土组成的柱，现阶段厂房结构设计中，通常采用下柱钢管混凝土，上柱钢结构的形式。用以节省钢材，降低厂房平均用钢量指标。

合理确定柱的布置和数量，以满足结构的功能和使用需求[3]，首先要充分满足生产工艺和作业流程的需求，在满足生产及使用要求的前提下，尽量使结构布置合理。

其次应满足结构设计的要求，即厂房应具有必要的横向刚度，应尽可能将柱布置在同一横向轴线上，使排架柱与屋面钢梁或屋架形成横向结构体系，因设备及生产要求而出现局部抽柱时，应划分合理的计算单元，考虑吊车荷载的布置方式进行相关计算；同时应考虑温度变化对厂房结构的影响。当厂房长度及宽度满足规范温度区段长度限值时，可不考虑温度变形及温度应力的影响，否则应进行温度区段的划分（每个区段应设置独立、完整的支撑系统）当采取释放温度应力或其他有效措施时，可适当增大温度区段限值。《工程结构裂缝控制》一书中通过对不同建筑伸缩缝的观测以及结合日本等国家厂房设计的实际情况，认为温度区段限值可以扩大，在对钢结构单层工业厂房排架伸缩缝处的变形实测表明，排架的实际变形远小于通用计算方法的理论计算值，并给出了相关计算判定公式及建议值。

最后应满足经济性的要求，柱距对整个厂房用钢量的影响较大，增大柱距会使屋盖、吊车梁的重量增加，所以合理的柱距应为经济性与实用性的协调统一，设计时可结合实际情况，根据经验试算综合考虑确定，一般可采用9~27m, 常用柱距一般为12m，对于炼钢厂房，柱距以24m居多。

柱截面的形式，可分为实腹式柱（H型钢、焊接H型钢、组合截面等）、格构式柱；上柱通常采用焊接H型钢截面，中柱通常采用实腹式组合截面，下柱通常采用格构式柱（单肢可采用焊接H型钢、钢管混凝土柱、箱型柱等）。实腹柱的截面尺寸主要由荷载及柱的高度决定。初选断面时，可参考类似工程或者根据柱高、吊车吨位根据经验确定。

对于厂房横向排架在电算时，当屋面形式为钢屋架时，可采用刚性杆代替，精细计算时，应将屋架等效为同等刚度的实腹杆件。值得注意的是，厂房柱构件应满足《钢结构设计标准》中压弯构件S4级截面的要求。

厂房柱间支撑是保证结构整体稳定和纵向刚度的有效措施，构造上可有效减小排架柱平面外计算长度，受力上可承受厂房传来的风荷载、吊车纵向刹车力、温度应力以及地震荷载。柱间支撑通常由上柱、中柱、下柱柱间支撑组成。柱间支撑的倾角应控制在35-55度之间，可采用人字形、十字形，当工艺有通行等相关要求时，可采用门形、八字形等形式。对于柱间支撑的布置，上柱支撑一般布置在每一温度区段厂房的两端以及设置中柱、下柱支撑的柱间，中柱、下柱支撑一般布置于厂房的中部，当超过温度区段限值时，应布置在温度区段中间三分之一的范围，且支撑中心距不大于60m。对于常用的十字形支撑的计算，一般可按拉杆确定，考虑抗震时应按一拉一压考虑，柱间支撑的计算应按抗震和非抗震两种情况进行计算。条件允许时，厂房的抗震计算应采用空间结构整体模型。

所以通过考虑设计载荷、构造，以及经济性和可行性等多个方面的因素，经过试算得到相对合理的结构截面及形式，保证结构的稳定性和安全性，实现工程的优化效果[4]。这种科学的设计方法不仅能够提高建筑的质量和可靠性，也符合现代建筑理念和可持续发展的要求。
（二）屋面系统的设计

屋面系统主要由屋面钢梁或屋架、屋面支撑系统及檩条组成。

采用屋面钢梁时，结构形式简洁，空间表现力强，屋面钢梁和排架柱间可按刚接设计，是一种广泛应用的结构形式，同等条件下用钢量会比屋架结构稍高。因经济性原因，托架和屋架大多采用桁架结构，当跨度较大时，屋面梁可采用端部实腹截面（可与柱刚接连接），中部为桁架的混合形式，如下图所示。

图1.钢梁形式 图2.钢屋架形式 图3.混合形式

屋架与柱的连接一般采用铰接连接，常采用上承式钢屋架，此种连接方式对于屋面水平支撑布置在屋架上弦平面的有檩体系较好，但应保证支座高度不宜太高，以减小支座处的附加内力。托架与柱的连接多采用侧边铰接连接，屋架与托架的连接可采用平接或者叠接。托架跨中或屋面梁支撑处的竖腹杆一般采用焊接H型截面或箱型截面，以增大结构刚度，并方便屋架的连接。

屋架构件设计时，作用的主要荷载有：屋面恒载（包括屋面压型钢板、檩条及支撑系统、天窗架自重以及吊挂于檩条上的检修走道、照明灯具或管道的重量），可变荷载包括屋面活荷载、屋面灰荷载，屋面雪荷载、风荷载、电动葫芦荷载、管道荷载等。特别需要注意的是，应根据屋面结构形式考虑雪荷载的不利布置，因雪荷载以及清灰不及时发生屋面垮塌的事件时有发生。故除正确全面的考虑各项荷载以及选择合适的荷载组合进行计算外，在设计中应明确要求使用单位定时清灰，以及在发生雪灾时及时进行除雪作业。

钢屋架根据坡向可分为单坡和双坡屋面，根据形状可分为三角形及梯形屋架，根据腹杆布置形式，可分为人字式、单斜式、再分式以及混合式。对于常用的梯形人字形腹杆结构，上下弦截面常采用双角钢T型截面，现阶段可采用剖分T型钢代替双角钢拼接截面，可减少构件的拼接连接，加快制作进度，当屋面荷载较大时，普通角钢截面选择困难，可采用轧制H型钢或焊接H型截面，屋架斜腹杆常采用双角钢T型截面，竖腹杆常采用十字形截面，当有条件时，可采用圆管作为屋架的腹杆，可减少屋架用钢量。

对于炼钢等厂房，除尘管道（荷载较大）、上料通廊等常布置于屋面，故部分屋架及托架应采用屋面钢梁及托梁形式。

屋面支撑是屋面系统的重要组成部分。在安装阶段，可保证屋面构件的稳定；屋面支撑将屋架、檩条等构件组成空间受力体系，并提高结构水平面内的刚度；同时屋面支撑可作为屋面构件的侧向支撑。屋面支撑可分为水平支撑（分为横向支撑和纵向支撑）、竖向支撑（分为隅撑和垂直支撑）以及系杆（刚性系杆及柔性系杆）。需要注意的是，屋面支撑的布置应同柱间支撑的布置相适应，应布置在与柱间支撑相同的同一柱间内。

檩条根据其受力形式可分为实腹式及空腹式。实腹式檩条根据屋面荷载、跨度的不同可采用C型钢、Z型钢、高频焊接H型钢、热轧、焊接H型钢等截面。空腹式檩条可分为格构式以及蜂窝梁式。蜂窝梁因其良好的经济性以及加工制作较为方便，是一种很好的选择。屋面檩条计算时，作用的主要荷载有：屋面恒载（包括屋面压型钢板、檩条自重及与檩条相连的支撑自重、天窗架自重以及吊挂于檩条上的检修走道、照明灯具或管道的重量），可变荷载包括屋面活荷载、屋面灰荷载，屋面雪荷载、风荷载、电动葫芦荷载、管道荷载、集中检修荷载等。檩条可根据实际情况，设计为简支檩条或连续檩条的形式。对于有檩屋面体系，檩条可同时作为屋面支撑的系杆，支撑又作为檩条的侧向支撑点。

（三）吊车梁系统的设计

吊车梁系统由吊车梁、辅助桁架、制动结构和水平支撑组成。

吊车梁通常采用上翼缘加宽的不对称焊接工字形截面，截面初选时，可根据构造条件以及经验公式初步确定吊车梁高度及腹板厚度，并根据轨道宽度、压轨器尺寸等确定合适的上翼缘宽度。确定计算参数时，应充分考虑吊车资料，根据不同的工作级别，乘以不同的动力系数；除吊车荷载外，尚应考虑吊车梁、轨道、水平支撑、竖向支撑的自重，检修走道的恒载及活荷载传到吊车梁的部分以及墙架传来的水平荷载（中柱无）。同时根据吊车为硬钩或软钩吊车计算摆动引起的横向水平力。需要指出的是，部分夹钳吊，应确认吊车设计参数中是否给出夹钳重量（部分吊车夹钳可达十几吨重）。在电算时，应在满足疲劳计算以及挠度的前提下，控制合适的应力比，以此来调整截面尺寸及厚度，选定经济合适的吊车截面。

吊车梁与排架柱的肩梁为简支连接，采用平板支座或突缘支座。端部吊车支座常选用平板支座，中部常选用凸缘支座，需要指出的是，通过对现场调查及实际使用情况来看，由于制造安装误差，凸缘支座的端板要求所谓的刨平顶紧难以实现，会导致顶紧面出现较大的局部压应力及连接附加内力，故在制作时应对此处做严格要求。

吊车梁的辅助桁架、制动结构和水平支撑可承受吊车及墙架的传来的横向水平荷载并保证整个吊车梁系统的稳定。制动结构常采用制动板，兼作安全走道。对于边列柱，应设置辅助桁架或者辅助边梁。辅助桁架的高度可与吊车梁等高，当不等高时，应不小于2/3吊车梁高度。辅助桁架可兼作纵向墙架柱的垂直支点。当设有参观走道时，吊车梁系统应考虑参观走道和纵向管线的吊挂荷载。吊车梁水平向与柱子连接采用板铰连接。制动板与吊车梁上翼缘的连接方式采用普通C级螺栓加自动焊或半自动焊或者高强螺栓连接。制动板与辅助桁架的连接方式采用自动焊或半自动焊。制动板与柱子连接采用承压型高强度螺栓连接。

（四）墙架系统的设计

墙架系统由墙架柱、檩条、拉条以及抗风桁架组成。

墙架结构根据其传力方式的不同，可分为自立式和悬挂式。墙架柱落地，直接将竖向及水平向荷载传到墙架柱基础上，即为自立式，悬挂式为墙架柱支撑在厂房柱或车辅助衍架上。

墙架结构的荷载主要包括彩板自重、钢窗及附属标识牌的自重、墙梁及拉条自重、水平风荷载。当抗风桁架兼做山墙环形走道时，需考虑检修走道恒载及活荷载。

墙架柱通常采用轧制H型钢或高频焊接H型钢，墙架檩条可采用冷弯薄壁C型钢或Z型钢，当荷载较大时，可采用组合檩条。檩条可设计为简支或连续檩条，檩条与墙架柱采用普通螺栓连接。为减小横梁在竖向荷载作用下的计算跨度，在墙梁间设置拉条系统，当拉条拉吊的墙梁数量超过5根时，可增设斜拉条，将荷载传至墙架柱上。

（五）柱脚的设计

柱脚根据其形式可分为插入式、外包式、外露式及埋入式。

重型厂房下阶柱常采用双肢格构式柱，柱脚均采用分离式柱脚，与基础的连接方式为插入式，当炼钢厂房高跨平台柱需支撑在转炉或电炉基础上时，可采用外包式基础，此两种连接方式均为刚接柱脚，且在抗震设防区，宜采用插入式或埋入式柱脚。此外，基础连接的设计也需要考虑到施工的可行性和经济性。在设计过程中，应该尽量减少施工工序和时间，选择适合现场施工条件的连接方式，提高建筑的整体抗震性能，增强厂房的安全性和稳定性[5]。

结束语

重型钢结构厂房设计的科学性与后续使用要求有着密切的关系，因此设计人员要明确设计重点，结合工程经验提供科学的设计方案，通过新材料等新技术的运用，提高重型钢结构厂房的设计效果。

参考文献

[1]王勇,赵振东.某重型钢结构厂房设计与实践[J].工业建筑,2021,51(12):117-122.

[2]马晓辉.带双层吊车的大柱距重型钢结构厂房设计[J].工程建设与设计,2021(19):17-21+28.

[3]徐小琴.浅谈重型钢结构在机械厂房中的应用[J].四川冶金,2021,43(04):45-47.

[4]王俊.重型钢结构厂房结构设计探讨[J].有色金属设计,2021,48(03):52-60.

[5]吕元星,唐招净.大跨度超高重型钢结构厂房结构设计分析——以某钢框架结构厂房为例[J].工程技术研究,2021,6(11):189-190.