多层钢结构工业厂房的轻型化设计与应用

多层钢结构工业厂房的轻型化设计与应用　刘歌青　石永久（清华大学土木系王元清　陈　宏　北京ｉｃｃ（ＩＢ４）　摘　要：多屠轻钢厂房在技术　经井　安全性等多方面具有明显的优点，但现有普钢规范不能满足这种新型结构的设　计要求。为了推广多层轻钢厂房，结合具体实例舟绍了它的结构体系　布置特点　计算方法等。通过具体方案的比较，框架一　支撑体系具有更好的制向刚度与更优越的经井性，而组合棱盖桀在增大净空、加强体系刚度　降低造价等方面有良好的衰现。　关ｔ词：多层厂房轻｛ｌｌ结构组合粱　ＴＨＥ　ＤＥＩＧＮ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　ＯＦ　ＬＩＧＨＴ－ＷＥＩＧＨＴ　ＳＴＥＥＬ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＩＮ　ＭＵＬ　Ⅱ．ＳＴｏＲＹ　ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ　ＢＵＩＬＤＩＮＧ　Ｌｉｕ　Ｉｌｇ　Ｓｈｉ　Ｙｏｎｇｊｉｕ　Ｗａｎｇ　Ｙｕ帅ｑｉｎｇ　ｃ　ｎ　Ｈｔｍｇ　（Ｔｓｌｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｂｖｌｊｉｎｇ　１０００８４）　Ａｂｅｔｌｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ瑚Ｉｄ　ｎ眦Ｉｕ畔，ｔｈｅ　ｐＢ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｔｔｏｄｕ￣ｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｈｉ￣ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ‘ｗｅｉｇｈｔ　ｍｅｈｉ‘ｓｔｏｒｙ　ｉｎｄｕｓｕ￣　ｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｎｉｔ　ｒｅｖｉ￣…Ⅱｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃ　－　ｂｒ　ｒｅｌｍＴ　ｌｅ￣ｐｅｃｌｓ　ｍｕｌｔｌ・ｓｔｏｒｙｆａｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆｌｉ＃ｔ　ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ　ｓｔ３３１４￥１ｔｌｍｅ　ｓｙｓｔ￣，Ｈ　ｈ　ａｓ，ｔｈｅ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｓｍｌｃｔｕｔｅｓ　町‘ｐｍ￣ｍｔ　Ｆｒａｍｅ－　口ｃｌ＂ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　Ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ・ｓｔｏｒｙ，ｆａｃｔｏｒｙ．ａｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｌｇａｌｅｄ　ｔｏ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ　ｌｋｅ　Ｐ　ｐ　叮ｗｏｒｋ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　￣ｓｔｅｍ。０ｒｎ　ｎ。ｄ　ｗ卟ｃ伽叩０Ｂ　ｂｅ阳Ｉ　ｉｓ　ｒ　叩蜘期　ｅｄ　ｆｏｒ　ｉｌｓ　１０　ｒ　ｏ惦ｔ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ⅲ　－ｓｔｏｒｙ　ｉｎｄｕｓｔｉａｌｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｈｓｈｔ・ｗｅｉｓｈｔ　ｎ∞Ｉ　ｍ　ｍ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　１２ｍ，有时达到ＩＢｍ…。　１概述　本文结台具体实例，对多层钢结构工业厂房轻型化设计　与应用进行ｒ讨论，为今后类似工程的推广与应用提供一些　有益的经验。　与常用的钢筋混凝土厂房相比，多层轻型钢结构厂房具　有自重轻、用钢量少、抗震性能好、施工速度快等特点。多层　轻钢厂房的设计、制造、施工趋于一体化的特点，有利于缩短　施工周期，加快资金流通。钢材是一种良好的绿色环保受材　料，现场螺栓连接，无湿作业，噪音小，污染低。这些优点均　使得多层轻型钢结构厂房脱颖而出，受到越来越多的关注。　与一般的民用钢结构设计不同，多层轻钢厂房有其自身　的特点：　（１）由于原料堆放以及生产工艺的要求，多层轻钢厂房的　活荷载大都为２　５—２０ｋＮ／ｍ　，远大于多层民用建筑的话荷载　（２）它有较多的悬挂与集中荷载　多层厂房的悬挂荷载　２多层轻钢工业厂房体系和结构布置特点　２．１　构体系［２１　由于层敷少、高度低，多层轻钢工业厂房大都为纯框架　结构和框架一支捧结构。台理的选择结构体系，对减少用钢　量，满足工艺要求有十分重要的意义。　２．１．１纯框架结构　．　有些工业厂房，由于机械设备的摆放、管线布置等工艺　设计的原因，柱间不能设置支撑，必须采用纯框架体系。纯　框架结构一般由箱型柱或Ｈ型柱和工字型粱组成　由于在　纵、横两个方向，粱均与柱刚接，四面刚接的箱型拄的节点形　式比较复杂，可选用图】８的形式。Ｈ型柱可在节点处做成　局部箱形柱，与之雷同。纯框架结构的平面布置灵活，为建　主要包括安装荷载、工艺流水线、吊车等荷载，而集中荷载主　要包括设备自重，有时还会有设备振动荷载。　（３）多层民用建筑的结构大都为对称布置，而对于多层　轻钢厂房，为　满足工艺要求，常常会出现结构错层现象。　这使得楼板不再完整，质量措高度分布的均匀性被破坏，在　地震作用下，可能发生扭转。并且由于　短柱效应”，使得水　平剪力成为某些梓段的控制因素。　（４）相对多层民用建筑，多层轻钢厂房根据工艺要求，层　高比较大，为４～８ｍ，多层轻钢厂房内部空间大，柱距为６～　４０　ＩＩｌｄｕ　ａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　２Ｏ０２．Ｖｏ１．３２．Ｎｏ　２　筑提供较大的室内空间，且结构各部分雕度比较均匀。框架　结构有较大的延性，自振周期较长，因面对地震作用不敏感，　第一作者：刘戢青女１９７６年６月硬士研究生　收稿日期：２００１一１０一ｌ５　工韭建筑２００２年幕船善幕２期　维普资讯 http://www.cqvip.com

抗震性镌较好。　抗剪界面的可靠连接．其整体工作性能良好，能充分发挥两　种材料的优势．显著提高结构的强度和刚度。设计时如考虑　钢粱和楼板的组合作用，则砍粱设计的用钢量将比不考虑组　摩田　∞　Ｉ　常用粱柱连接节点示意　合作用时节省２５％～３５％，且鸵有效降低粱高，提高楼层挣　空，这种设计方法将有效降低多层厂房的总甩钢量。当前主　要采用以下两种形式　：　（Ｉ）压型钢板组合楼董：这种楼董的具体擞法是在钢粱　上铺设压型钢板．再浇注ｔ００—１５０ｒａｍ的钢筋混凝土板，压塑　钢板与钢粱之间用栓钉连接。　（２）预制板叠合层组合楼盖：这种接董的具体做法是钢　粱上铺设预应力钢筋混凝土薄扳．再浇注ｌ００～１５０ｒａｍ的钢　筋混凝土板。这种做法由于省去压型钢板而使总造价降低．　是一种有广泛应用前景的楼面结构　２．１．２框架一支撑结构　相对于纯框架结构．框架一支撑结构具有用钢量少、节　３设计方法与基本要求　３．１设计方浩　点形式简单、侧穆刚度太等特点。框架一支撑体系由工字型　粱柱组成，支撵大都为ｘ型，亦可栗用Ａ字型或偏心支撵。　常用节点形式见图ｌｈ、ｃ、　结构一般为横向承重体系．纵　虽然目前有一些用于手算的简化公式　但实际中一般采　用通用有限元结构分析程序或钢结构设计专用程序。　对于设计地震烈度为６度以上的地区，必须考虑木平地　向联系粱与柱铰接．主要由楼板起空间联系作用。这种情况　震作用。结构布置均匀的多层轻钢厂房可采用底部剪力法　计算。结椅布置对称的多层厂房可简化为平面框架模型；反　之　必须建立空间框架模型．进行计算。　下．结构的纵向相当于排架．刚度非常小　必须在纵向布置支　撑，提供主刚架平面外约束，以抵抗水平风荷载与地震作用　轻钢结拘屋盖刚度较弱，为提高整体剐度　应在设置柱间支　撑的开问，同时设置屋盖横向支撑．以组成几何不变体系　支　撑宜设在两端或第二开间处。对于８度设防的地区．纵向与　我们一般采用增大梁剐度的方法考虑楼板舶盟合作用。　目前，对组合粱的刚度有三种评价方法：Ｎｅｍｎａｒｋ方程法．等　价截面惯性矩法．平均刚度法　我们在实际工程中可采用平　均刚度法。平均刚度｛去是将负弯矩区纯钢部件的截面刚度　横向都需布置支撑。屋面可采用柔性拉杆支撑体系；柱间宜　采用刚性圆钢管支撑。　２．２目护　柯　与正弯矩区组合截面的刚度Ｋ　去平均值，作为组合粱的　等价截面剐度　３．２基本要求　彩色涂层的压型钢板和夹芯金属板，以其自重轻、保温　隔热效果好、安装速度快、外表美观的优点．已经取代传统多　《建筑钢结构设计手册》　规定．多层轻钢结构厂房（无　吊车情况下）需考虑　下几种荷载组合工况：　层厂房的砌体围护墙体，成为多层轻钢厂房不可缺少的围护　材料。轻型围护结构有利于太幅度减轻结构自重和降低对　基础的要求　外墙体可采用非自承重式轻型墙体　如镀铝锌　压型钢板。底层墙体常采用空心砌体。保温材料主要为玻　璃丝棉，通常５０ｒａｍ厚即可满足使用要求，对于保温要求高的　厂房．可采用１００ｒａｍ厚。　檩条可增加房屋的纵向刚度，提供主刚架平面外约束，　传递纵向水平力　按１—２ｍ等间距布置．屋脊和檐口要布置。　屋盖结构太都采用太断面的Ｃ型或ｚ型玲弯薄壁型钢檩条　体系，Ｒ寸取决于跨度（肘架间距）和凛距（板跨）。通常，攘　条高度为１４０～２５０ｍ，有时可达３００ｔｏｍ，厚度为１　５～３　０ｍｍ。　工况一：１．２　ｘ恒载标准值＋１．４　ｘ活荷载标准值；工况　二：Ｉ　２　ｘ恒载标准值＋０　８５　ｘ　Ｉ　４　ｘ（风荷载＋栝荷载）标准　值；工况三：１　２×重力代表值＋１　３×水平地震作甩标准值。　多层厂房侧向位移的具体要求如下　】：　（１）在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜　大干１／５００　（２）层间相对位移与层高之比不宜大于１／４加。　（３）在常遇地震作用下．层间侧移不超过楼层高度１／２５０。　（４）若顶层为门式刚架，层间位移取１／５０．但为了与下层刚槊　柱保持一致，可取１／２００。对于多层轻钢厂房，还要满足剧架　柱构件稳定性与钢框颦的整体稳定性要求。　当跨度大于９ｍ时．宜采用桁架式。简支擦条大都为Ｃ型，连　续檩条大都为Ｚ型　擦条与刚架的连接可采用檩托。　墙粱也可增加房屋的纵向刚度，提供主刚架平面外约束．　传递纵向水平力，闸距Ｊ一３ｍ，门窗洞口上下要布置。墙粱也　采用Ｃ或ｚ型砖弯薄壁型钢，尺寸取决于跨度（刚架间距）和　墙距（板跨）。间距太于９ｍ时　宜设墙架拄减少墙粱跨度　２．３组合棱盖粱　４具体工程实例　４．１某药业舟司提炼车『司工程　４．１．１工程背景　某药业公司提炼车间　主体４层，局部３层，宽度１５ｍ　（６　５ｍ＋８　５ｍ），柱距７ｌｎ　全长６３　５ｍ　建筑面积３　６００／１１２，条形　基础。屋面采用ＢＨＰ压型钢板保温屋面系统，首层窗台以下　钢一混凝土组台楼盖粱．是在钢粱上翼缘表面焊接抗剪　为２４０粘土砖墙，其余外墙面采用ＢＨＰ压型钢板保温墙面系　统　内墙为６０ｍｍ厚保温壁板。屋面支撑采用　２ｏ柔性支撵．　工业建筑２Ｏ０２牛第蛇喜第２期４１　连接件后．与混凝土楼板形成整体共同作用的组合粱。由于　ｌｎｄ啷刚Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　２Ｏ０２．Ｖｏ１．３２　Ｎ　２　维普资讯 http://www.cqvip.com

柱同采用　１４×３　０圆管支撑。楼面活荷载为３．５ｋＮ／　，恒　荷载为４．０ｋＮ／ｍ￣；屋面恬荷载０．５ｋＮ／　，恒荷裁０．５ｋＮｔｍ￣；　基本风压０　３５ｋＮ／ｍ￣；设计地震烈度为７度，Ⅱ类场地。　４．１．２计算方法　架一支撑体系的空间模型。　寰１框架一支撑体系两种计算横曩比肇　振　ｅ　嚣　表１给出框架一支撑体系两种计算模型主要结构刚度　指标的比较，由此可知：　（１）侧向支撑起到了重要的空间联系作用．藏少结构横　向自振届期，增大其副度。（２）乎面模型的计算结果循“柔　，　低估了地震作用力，使得结构在地震作用下的层问位移偏小　图２框架一支撑体系空问计算模型　达４９％。因此．建议对于设计地震烈度为７度和７度以上地　区的多层轻钢厂房．建立空间模型计算。　结构分析计算利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ完成，它是融　结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型软件包。在　表２给出两种体系空间模型的主要计算结果，可得到以　下结论：　结构计算中采用三维粱单元，四节点三维壳单元，质量单元，　二力杆单元计算结构自振周期以及静力分析。空间计算模　型考虑了组台楼盖的空间联系作用　４．１．３计算分析　本工程为横向承重体系．粱柱均为等截面。为了进行比　较，分别采用纯框架体系和框架一支撑体系，不改变粱的截　面形式，只对刚架柱进行改动。其中，纯框架方案建立空间　模型　框架一支撵方案建立平面与空间两种模塑。图２为框　（１）由于支撑作用．框架一支撑结构在纵向具有较大的　刚度；（２）由于工字型柱在强轴方向（即横向）具有较太的惯　性矩．相对纯框架结构．框架一支撑体系的自振周期小．副度　太，但Ｉ向位移小。（３）虽然纯框架结构亦Ⅱ脯足强度及饲移　要求，但用钢量较大。在本恻中，框架一支撑体系具有更高　的经济性．节约总用钢量达１７％。　４．２耒电子蓑配车闻　表２实倒一两种体系ｃ空间模型）比较　４．２．１工程背景　某工程是用于电子装配的多层轻钢结构厂房。平面　本工程　呈矩形．总长为８４　Ｏｍ．宽２７　９ｍ，总面积ｌＯ　５３３　出幽　＋１女２．８００　一结构平面布置如图３所示．剖面结构布置见图４　屋面采用　＝盟　图４结构剖面囤　０　３ｋＮ／　．恒荷载０．５ｋＮ／ｍ　图３结构平面图　４．２．２计算分析　薄壁型钢Ｃ型檩条和双层保温层面板；楼面采用压型钢板组　本工程亦利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ完成，计算模型　为平面结构。采用两种方案：方案一为不考虑楼盖组合作用　的框架一支撑结构．方案二为考虑楼盖组合作用的框架一支　撑结构　采用ＣＡＯ的混凝土　楼板厚ｌＯ０ｍｍ。对组合粱的设　台接盖。墙面采用外挂夹板的形式；内墙均为轻钢龙骨石膏　板轻质隔墙　工程所在地基风压为０　３０ｋＮ／　；设计地震烈　度为７度．Ⅳ类场地。楼面恒荷载为３．８ｋＮ／ｍ　．３层楼面活　计按照ＹＢ９２３８—９２《铜一混凝土楼盖结构设计与蘸工规　程》．按弹性设计方法进行。组合粱的换算截面考虑长期荷　工业建筑２ｏｏ２年苇３２卷莽２期　荷载为７．５ｋＮ／ｍ　．其余楼面活荷载为４　５ｋＮ／　；屋面活荷载　４２　维普资讯 http://www.cqvip.com

载效应。组合粱的换算剐度采用平均刚度法。负弯矩区的　截面刚度只考虑了钢粱的贡献。由于轻钢结构梁的翼缘厚　（１）考虑组合作用。可增大梁的剐度．粱的挠度可减少　１／３以上；（２）采用组合接盖梁是有效的增大体系刚度的方　式；（３）方案二节约钢材．降低造价。降低粱高，增加净空。　度小．次梁的刚度增大系数不宜大于２．０。表３是两组方案　主要参数的比较，可得到如下结论：　裹３实倒二两种方案比较　构，ｔ９９９（６）　５结论　３刘瞅青，石永九，王元清新型剪力墙在轻铜住宅中的应用研究　钢结构增刊．２ＯＯＯ（１０）　４荆军，王元清，石永九门式刚架轻型钢结构端扳疰接节点性能　从以上工程实例分析中不难看出，在满足工艺要求的前　提下．考虑接盖组合作用的框架一支撑体系在增强侧向剐　度，加大净空，降低造价等方面．具有良好的表现，值得推广。　综合经济效益优良的多层轻钢厂房，将会有广阀的应用前　景。　研究与设计建筑结构，２ＯＯＯ（４）　５刘承宗，周志勇我国轻钢建筑及其发展问题探讨工业建筑．　２ＯＯＯ（４）：１８—２３　６醵全．石永九，王元清，阵宏．钢一混凝土叠合植组合棱盏在　多层轼钢房屋中的应用，工业建筑，２００１（６）　６９—７１　参考文献　１王元清．王春光．门式刚架钢结柑工业厂房最优柱矩研究．工业建　筑，ｔ９９９（６）：４９—５】　２王元清．石永九．多层轻型房屋钢结构的设计与应用研究．建筑结　７赵熙元主编，建筑钢结掏设计手册北京：冶垒工业出版杜．１９９５　（】２）　８　ＣＥＣＳ１０２：９８门式刚架轻型房屋钢结构技木规程　（上接第３９页）　度变小，最大弯矩增大。最大挠度与弯矩并未随剐　度的增大而无限减小或增大，从图中可以看出，当支　撑相对刚度Ｋ　／Ｋ　＞１后，将不再变化；对于第二道　价自然增大，而且地表沉降、坑底隆起没有显著降　低，而产生相反的作用，略有增加。所以支撑数量要　适当，满足基坑开挖变形即可。　（３）对于有三道支撑的深基坑工程，第一道支撑　和第三道支撑的位置不能太高，也不能太低，第一道　支撑位置宜设在１／６～１／４倍开挖深度，第二道支撑　的位置可适当偏向第三道支撑设置。　（４）支撑剐度对基坑综合性态的影响非常大。　进行支撑结构设计时，对于不同位置的支撑结构，其　刚度的选择要仔细研究。对于有三道支撑结构的工　支撑，尽管支撑刚度增大使其挠度减小，但对其最大　弯矩几乎没有影响；变化最为敏感的为第三道支撑，　随着支撑剐度的增大，墙体最大挠度与弯矩迅速减　小。因此，在深基坑支护结构设计中．对各层支撑结　构进行综合研究，特别是对下层支撑结构要重点研　究，做到结构安全，经济合理。　５结论　程体系，第一道支撑与第二道支撑的剐度不宜太大，　以免支撑效果得不到充分发挥，而应加强第三道支　撑结构的剐度。　参考文献　秦四清等深基坑工程优化设计．北京：地震出版杜，１９９８　２杜　飞高层建筑裸基坑开挖数值分析理论厦其应用的研究：［博　土学位论文］．长沙：期南大学，１９９８　３郭玉荣基坑支护结构工程设计方法厦ＣＡＤ研究：［博士学位论　文ｊ长沙：湖南大学，１９９９　（１）深基坑工程设计中，支撑条件的选择非常重　要。通过本文的研究，深基坑开挖时．支撑相对间距　适当增大，变形量有降低的趋势。然而，支撑间距太　宽，支撑作用效果不明显，或者说对挡墙的侧移根本　没有约束作用，桩墙失效是基坑失稳的主要原因。　（２）支撑数量增多，对变形约束作用越大。但并　不是数量越多越好。从分析中可以看出，如果只有　支撑数量的增多，而未进行位置的选择，不仅工程造　萝屡铜姑构工业厂房的轻型忧设计与应用——刘歌青等　４３