超宽轻型钢结构厂房的结构设计

如何在确保厂房施工质量前提下，实现低成本、高质量成了企业重点关注的问题。门式刚架在钢结构厂房中应用较为广泛，其与传统钢筋砼厂房比较有显著优点，其优点在于施工便捷、施工周期短、工程成本低、同时材料可回收利用等，因此厂房采用门式钢架结构形式，其经济效益和社会效益高。

 

本文通过对国内某公司钢结构厂房的介绍，针对超宽轻钢厂房建设项目，详细阐述了其如何在满足相关规范前提下解决横向温度伸缩缝的处理方案、结构体系的布置以及设计过程，希望对以后类似工程有借鉴作用。

 

一、工程概况

 

本工程为某一大型公司的结构厂房建设项目，该项目分为一、二两期进行建设，一二两期工程各为厂房面积的一半。一期的建设工期为100d，二期的建设工期为90d。厂房的纵向长度为150m，横向宽度为180.6m，总建筑面积为27564㎡。沿着厂房的纵向，柱与柱之间的跨距为7.5m，沿着横向，跨距则为30m。在厂房的中间部位处，设置有温度伸缩缝。在每跨内设置有两台10t的电动单梁吊车。

 

厂房的立面采用双脊双坡的形式，坡度则控制在5%。墙体采用黏土砖墙，其厚度控制在240mm。在墙体沿着高度的方向，设置有三道圈梁。屋面采用单层压型钢板，其厚度控制在0.5mm，在其下部则为保温玻璃棉并配置金属网，玻璃棉的厚度为75mm。为了不耽误企业的正常生产，厂房急需短时间内完成。经过相关工作人员的研究和探讨，厂房的结构设计决定采用门式刚架结构。

 

二、厂房的结构设计

 

由于本工程的建筑平面尺寸比较大，结构布置成了该工程设计的重点和关键，尤其是要处理好横向温度伸缩缝及支撑的布置和如何选取支撑形式。

 

1、横向温度缝的设置

 

本工程的厂房的设计主要是按照CECS102:2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程的规定。该工程的横向宽度为180米，纵向长度为150米，按照规程的规定，其横向宽度是不符合规定的。针对这种大面积的厂房，首先要解决的问题就是要先处理温度伸缩缝。对于长框架所产生的温度伸缩缝问题，一般可以采取的解决办法包括两种：①消除温度变化所产生的应力，可以在柱顶或者梁中的合适位置处设置滑动支座；②在中部设置双柱，此外，可以将较长的一榀框架分成两榀，从而使框架的长度满足规程要求的横向温度区段的长度。

 

在第一种处理方案中设置滑动支座，一种是将其设置在柱顶，另外一种则是将其设置在梁中反弯点处。根据其他工程的相关工程经验可以知道，设置滑动支座的这两种方法均在侧向位移和用钢量方面能够取得较好的效果，但是仍存在着一定的不足之处，比如说由于梁截面变化较大会对滑动支座的安装造成不利的影响，为了解决这一问题，需要设置大量的屋面支撑。在第二种处理方案中，设置双柱的措施需要设置一排钢柱，这样会导致用钢量的增多，但是这种方法可以很好地消除温度应力多产生的不利影响。因此经过综合的分析考虑，在该工程中，设计人员最终决定在横向中部设置双柱。

 

2、支撑结构布置

 

（1）支撑体系的布置。支撑体系的主要作用包括以下几点：第一，可以把各个平面的框架连接起来，组成具有空间刚度和稳定的一个整体结构；第二，为结构和构件提供侧向支撑点，确保其平面外稳定性；第三，让风力、温度力、地震力及吊车的纵向水平力等纵向荷载的传递能够更加明确、合理、简捷；第四，让结构的安装更简单、方便。通过以上的支撑体系布置原则，本工程沿厂房纵向设置4道屋面水平支撑；另外在与屋面水平支撑相同的柱间，需设置柱间支撑，需注意的是工作人员只能在靠近中间的两道支撑处设置下柱支撑，这样是为了方便释放出温度应力。

 

（2）支撑形式的选取。门式刚架轻型结构具有很多的优势：由于构件承受的荷载小而且构件自重轻，因此构件截面较小，跟普通的钢结构相比，门式刚架的次构件和主构件的相对刚度是比较大的，而且它的次构件因为面板的蒙皮效应，可以对主构件的侧向位移起到约束作用。根据建设方的施工要求，本次项目工程的围护需采用240毫米的厚砖墙，在钢柱处设置锚固钢筋与钢柱拉结。砖墙的刚度的确是比较大，可以让结构的整体刚度在一定程度上得到提高及降低结构的侧向位移。不过本次工程的厂房比较高，平面尺寸又大，加上每跨内两台吊车的影响，所以为了更好地确保刚架构件平面外的稳定，工作人员需要采取以下几点措施：对于所有的柱间支撑都要用到比较强的角钢支撑，而张紧的圆钢交叉支撑则用在所有的屋面水平支撑。

 

（3）隅撑的设计。通过布置屋面、柱间所有的支撑系统，可以有效保证构件的传力途径以及厂房骨架的整体稳定性和纵向刚度。但是这样设置的支撑点距离就比较大，如果按照这样进行设计，会导致经济性较低。同时对于钢结构厂房来说，屋面板也会提供一定刚度作用。因此，针对于钢结构厂房设计，为了能有效减少屋面梁的平面外计算长度，可通过设置隅撑和檩条来实现，隅撑间距即是梁的平面外计算长度。布置隅撑应每隔一根檩条就设置一对隅撑，而且在靠近屋脊处的檩条处也应设置隅撑。

 

3、内力的计算

 

本次工程项目是采用门式刚架结构，对于所有的梁与柱、柱与基础都是采用刚接处理。工作人员在分析内力时，可以采用STS钢结构计算软件来计算所有刚架在恒、活、风以及吊车等荷载作用下的内力。通过计算得出的结果为：0.92是钢柱的最大应力比，0.95是钢梁的最大应力比；1/247是钢梁的最大挠度值；在风荷载作用下，柱顶的水平位移值为1/7526；在吊车横向水平刹车力作用下，柱顶水平位移值则为1/1948；每榀刚架总的重量为12848千克。边柱截面尺寸则为H650×330×8×14，中柱截面尺寸为H600×300×8×14，梁截面尺寸在变截面段为H（800~600）×250×6×10，H600×250×6×8则是等截面段。根据专人统计得出，本次工程项目的厂房包括所有的刚架、檩条、拉条、支撑以及钢天沟在内的全部重量总和为37.14kg/㎡，其经济效益是相对比较高的。

 

结语

 

随着工业建设的快速发展，鉴于轻型钢结构厂房设计灵活，施工工期短以及成本较低等优势，其在工业建设中得到广泛应用。通过结合笔者以往轻型钢结构厂房设计实例，笔者认为轻型钢结构厂房虽然设计工序简单，但是为了能使钢结构厂房设计得到最优化，应当从横向温度伸缩缝处理、支撑形式选取以及支撑构件的合理布置角度考虑。文章对某一大型公司的钢结构厂房设计实例进行了分析，鉴于本工程建筑平面尺寸比较大，在温度伸缩缝方面通过采取在柱顶或者梁中适当的位置安设滑动支座以及设置双柱方式处理；沿厂房纵向设置4道屋面水平支撑等，使得本工程最终结构设计无论是结构受力模式、结构安全性以及工程成本得到最优化，可为同类工程提供参考借鉴。作者：王少寒