伴随着我国工业的迅速发展，以多层钢结构为主的工业厂房得到了大中型工厂的青睐。多层钢结构厂房不仅能提高单位面积土地的使用效率，而且在结构体系方面有传统混凝土结构无法比拟的优良性能，为企业节省了大量的建造成本，并提升了建筑整体安全性能。因此，探索多层钢结构工业厂房结构的设计方案，具有十分重要的现实意义。

 

近些年来，钢结构因其质量轻、强度高、跨度大、布置灵活、施工周期短等特点，被大规模应用于工业建筑领域，其中多层钢结构工业厂房更因占地面积小、空间利用率高等优势逐渐被市场接受。不过多层钢结构工业厂房普遍存在设备荷载大、柱距大、楼板开洞多等设计难点，本文在对多层钢结构工业厂房进行综合阐述的基础上，分析了多层钢结构工业厂房的设计方案和流程。

 

一、多层工业厂房设计要点

 

出于工艺生产的需求，工业厂房一般柱距较大、层高较高，为安置大型机械设备，柱网布置有时会不规则。同时，工业厂房对承载力的要求较高，不仅因为机械设备静荷载较大，机械和吊车运作时也会产生相当大的动荷载。对于多层工业厂房，跨越层高的大型设备，运输物料的通廊，人员通行的电梯、楼梯等都要求楼板开洞，这些要素都对厂房设计方案提出了很高的要求。

 

二、钢结构的优势

 

钢材相对于石材、混凝土、砌体等，是比较新颖的建筑材料，在人类建筑史上出现的时间不过短短200年，金属构件被发现应用于房屋结构中最早可以追溯到18世纪末的英国。然而钢材因传统建筑材料无法比拟的优势，在建筑领域中异军突起，很快便普及开来。钢结构的主要优势如下：

 

（1）强度高，质量轻。钢材的高强度特性，能满足工业厂房跨度大、荷载大的功能需求，且相比于砌体和混凝土，钢结构可减轻建筑30%左右的质量，有利于抗震设计。由于钢结构建筑总质量小，建筑的地基和基础处理相对简单。

 

（2）塑性和韧性好。钢材的塑性和韧性是砌体和混凝土无法比拟的。一些大工业厂房存在重型吊车和运行时产生振动的设备，钢材对动荷载适应能力较强，在偶然荷载作用下也不容易发生断裂。

 

（3）批量生产，安装方便。混凝土从浇筑至拆模需要7d，而钢结构构件和连接节点已实现大规模工业化生产，构件和节点直接运送至施工现场进行装配式安装，建设周期短，大量节省人力，建设成本低。

 

（4）绿色环保，循环使用。钢结构构件在拆除后仍可以循环使用，绿色环保，符合可持续发展战略要求。

 

三、结构选型

 

合理的结构选型可以在满足使用要求和工艺要求的基础上，节省钢材用量，提高结构整体刚度和承载力。常用的多层钢结构工业厂房结构形式主要有三种，分别为纯框架结构体系、框架-支撑体系、框架加支撑的混合体系。

 

（1）框架体系。框架体系的梁、柱在纵横方向一般均为刚接，传力明确，造型简单。在工业设计中，由于一些管线布置和大型设备摆放，厂房内部不适宜布置支撑，这种情况下可以选择纯框架体系。与混凝土框架结构相似，钢结构框架体系也需要遵循“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的原则。框架体系结构弹性较大，自振周期长，抗震性能较好。同时由于弹性刚度差，在较大的水平荷载下容易产生较大位移，可能会引起结构整体倾覆和破坏。当侧向位移过大时，则只能增大梁柱截面来提高整体刚度，因此这种情况下，框架体系的用钢量会比较大。

 

（2）框架-支撑体系。框架-支撑体系的横向为刚接框架，梁柱节点刚接，纵向钢柱与柱间支撑、钢梁铰接，柱间支撑有效提高了结构整体的侧向刚度，提高了建筑的抗震能力，同时减小了梁柱截面，降低了建筑整体用钢量。框架-支撑体系适合横向较短、纵向较长的厂房，由于厂房内部需设置竖向支撑，一定程度上会影响空间利用率。

 

（3）框架加支撑混合体系。这种结构形式与框架-支撑体系的区别在于，纵向为框架和柱间支撑混合的形式，水平荷载由框架和柱间支撑共同承担。该体系可将柱间支撑设置在纵向最外侧，不影响厂房内部空间。为保证柱子变形协调一致，楼板需要有较大的平面内刚度，一般情况下采用钢筋混凝土楼板。

 

四、工程实例

 

1、项目概述

 

本文所研究的项目为某公司工程一车间。该厂房为局部二层钢框架结构，建筑面积3007㎡，跨数为3跨，跨长8m，柱距8m，纵向尺寸72m。该钢结构厂房为框架加支撑混合体系，柱下独立基础，地上二层，局部一层。局部一层层高为8.05m，局部二层层高为4.68m和3.37m，建筑高度8.05m，如图1~3所示。

 

图1 二层结构平面布置图

图2 GJ1 详图

图3 GJ4 详图

 

2、设计参数

 

基本风压：0.5kN/㎡；

 

基本雪压：0.45kN/㎡；

 

地面粗糙度类别：B类；

 

建筑场地类别：Ⅲ类；

 

抗震设防类别：丙类；

 

抗震设防烈度：Ⅶ度（0.15g）。

 

3、荷载取值

 

（1）恒荷载标准值（面层）：

 

压型钢板屋面：0.3kN/㎡；

 

二层楼板：1.5kN/㎡；

 

楼梯间：1.5kN/㎡。

 

（2）活荷载标准值：

 

不上人屋面：0.5kN/㎡（檩条）；

 

0.3kN/㎡（刚架）；

 

二层楼面（仓库）：5.0kN/㎡；

楼梯：3.5kN/㎡。

 

对于活荷载分项系数，一般情况下应取1.4kN/㎡。根据《建筑结构荷载规范》3.2.4.2：对标准值大于4kN/㎡的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3。该厂房二层作为仓库使用，活荷载标准值为5kN/㎡，因此在计算承载能力极限状态时，基本组合中的活荷载系数应取为1.3。

 

4、结构布置

 

在进行柱网布置时，钢柱位置不仅要满足设备布置需求，而且应尽量均匀对称，建筑刚度中心与质量中心相距不宜过大，以减小扭转作用。平面布置应减少凹角和大尺度收缩，竖向尽量减少大规模外挑和内收，防止刚度突变。

 

多层厂房一般楼面开洞较多，例如跨越层高的大型设备，运输物料的通廊，人员通行的电梯、楼梯等。平面布置时应尽量不要将大型洞口布置在建筑角部和端部。布置洞口的位置，需采取加强措施，可在洞口所在跨的纵横向布置柱间支撑以加强该部位的稳定性。局部开洞较多的部位，可布置水平支撑以加强楼板平面内的刚度和稳定性。

 

5、结构方案模型的建立

 

设计该厂房时使用中国建筑科学研究院的PKPM-STS软件，对厂房模型进行了整体受力分析和截面验算，在建立模型时有如下注意点：

 

（1）重型设备在地震中会产生倾覆力矩，计算时需手动输入。构造方面，倾覆力矩对框架梁受力不利，应合理布置框架梁，使中心线与设备重心对齐。框架梁扭矩较大，可使梁腹板外侧翼缘对齐安装设备的螺栓，梁翼缘宽度不宜太大，以保证预留洞口尺寸。

 

（2）次梁的布置要根据设备位置，和组合楼板的跨高比，防止楼板挠度过大。计算时，由于组合楼板与次梁无连接，应按无侧向支撑计算平面外稳定，建议选用平面外稳定性好的工字钢。

 

（3）STS在计算后，对于强度验算未通过的构件会自动优化，一般为加大截面。但针对不同的情况，截面调整的情况应有所不同。抗弯不足时，一般加大翼缘厚度，抗剪不满足则加大腹板厚度，若变形超限，一般加大截面高度。软件自动优化的结果一般都不够经济和有针对性，设计师需根据实际受力情况有针对性地调整截面尺寸。

 

结论

 

本文分析了多层钢结构工业厂房的设计流程。在设计过程中，设计人员需概念清晰，结构布置合理，计算准确，在软件计算的基础上，利用自身的专业知识进行有针对性的干预，不能一味依赖于软件计算结果。如何设计出满足工艺要求，安全性能高，施工简便，用钢量低的钢结构工业厂房，还需要所有设计从业者结合施工实践，不断思考，不断优化，钢结构未来的市场仍大有可期。

 

作者简介：傅娉婷（1990-），女，助理工程师，本科，主要从事结构设计工作。