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江苏省建筑园林设计院有限公司 江苏南京 210000
【摘 要】重型车间结构采用钢结构主要优势在于适用范围大、建设周期短，同时因其为全钢结构，其外观及内部视觉效果好，建筑美观，因而受到越来越多业主的青睐。本文结合工程实例，简要介绍了重钢结构的设计特点，对重钢结构的柱、吊车系统、屋盖及支撑系统的设计作了简要分析，并与轻钢门式刚架结构的区别进行了简要的阐述，可以指导工程设计与施工。
【关键词】钢结构；重钢车间；结构设计
一、引言
与传统的混凝土排架结构相比，吊车吨位在50吨以上的重型车间采用钢结构的优势很多，施工速度快，建设周期短，外观现代美观。随着钢结构的普及，市场竞争的激烈，重型车间采用钢结构的造价也具有相当的竞争力。
二、工程概况
某厂房位于南京江宁开发区，车间主跨跨度为24米，檐口标高18.00m，轨顶标高14.10m，一台75/20吨吊车。附跨跨度为18m，檐口标高13.00m，轨顶标高9.00米，一台30/5吨吊车，车间总长112.5m。该车间2010年12月开始设计，2013年3月初竣工交付使用。
三、车间结构设计
本工程为重钢结构，与一般轻钢结构相比，重钢结构的主要特点为：1）：厂房行车起吊重量大、起吊高度大；2）每平米用钢量大；3）限制条件不同，例如，变形和长细比控制严格等；4）荷载取值不同，特别是风荷载；5）分析方法不同，尤其是计算长度确定和局部稳定计算等；6）构件构造要求不同。
1.主要荷载
该厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、吊车水平荷载等。屋面活荷载0.5KN/m2，走道板活荷载2.0KN/m2。吊车荷载直接输入吊车样本，由程序导入。
2.主要材料的选用
由于Q345钢市场价格与Q235钢相差不大，Q345钢不仅强度高，同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能，所以本工程主受力柱、梁均采用Q354-B钢材，吊车梁采用Q345-B钢材。墙梁、支撑、屋面檩条等均采用Q235-B钢材，屋面板及墙面板为彩色金属压型钢板，岩棉保温。
3.主要结构选型及布置
本工程设计时首先是根据厂家提供的吊车资料，获取有关吊车的详细数据，以此为基础确定厂房柱的上、下柱高度。根据吊车吨位，估计主跨上柱净高在3.9～4.2m之间（不含屋面结构高度在内的高度）。其次是从经济性出发，上柱和下柱截面可分别采用实腹式工字形截面和格构式箱形截面，下柱截面450x1400mm，上柱截面300x700mm，上下柱之间通过钢肩梁进行转换。第三是结构抗侧力体系可以考虑为横向钢框架（梁柱节点刚接），纵向柱间支撑；对于轻型屋面，24m跨度的屋面梁为工字型变截面实腹焊接截面梁，屋面坡度为1/15，为可靠传递吊车横向刹车力产生的荷载，该梁应该满足压杆长细比的构造要求。第四是7.5m跨度的吊车梁，由于没有现成的标准图可资利用，可设计为实腹式等截面工字形吊车梁，主跨梁高为1200mm，上翼缘宽度为350mm（要考虑吊车轨道的安装构造要求），还需要设置制动梁；附跨梁高为800mm，上翼缘宽度为350mm；吊车梁上翼缘、制动（即走道板）和边梁组成吊车制动结构，既承受吊车横向水平荷载和其它因素产生的水平力，又可增加吊车梁的侧向刚度，保证吊车梁的侧向稳定性。
4.基础设计
本工程为全钢结构，墙体屋面亦为轻质材料，结构自重轻，竖向荷载小。一般情况下基础采用柱下独立基础，柱脚为分离式柱脚，构造简单、节约钢材、安全可靠。
计算结果表明，柱脚竖向反力与混凝土结构相比较小，但弯矩较大。基础设计时须根据受力特点合理设计，适当加大基础截面，同时注意基础的埋深。
四、结构设计中需注意的问题
1、框排架设计
（1）本工程在程序电算过程中，上阶柱腹板高厚比不满足《钢结构设计规范》[1]5.4.2条和《建筑抗震设计规范》[2]9.2.12条要求，需按《钢结构设计规范》[1]5.4.6条用纵向加劲肋加强腹板，纵向加劲肋在腹板两侧成对布置，设置纵向加劲肋后的腹板在受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的高厚比是否满足《钢结构设计规范》[1]5.4.2条的要求，需要补充计算。厂房的下柱采用工字钢（吊车肢）与双角钢（屋盖肢）组合的格构式柱，按照规范规定，整体的平面外稳定不必验算，只要单肢够就行；这是因为M作用于虚轴的格构压弯构件，平面外整体稳定是由分肢的稳定来保证的。分肢是轴心受压构件（缀条式），在初选截面时，就最好保证分肢的两个方向长细比接近，这样截面利用效率高。
（2）一般设计屋面梁时采用变截面设计可以减少用钢量，经济的设计不但要变截面高度，更重要的是变翼缘的宽度、厚度及腹板的厚度，本工程屋面梁截面高度和板件厚度在满足强度、稳定、挠度等方面要求的情况下做了优化设计，也就是利用截面的变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值尽可能接近，即使材料分布更接近于应力图形的分布，达到经济合理的目的。另外电算时应注意到屋面梁平面外计算长度程序默认值为杆件的实际长度，实际计算必须手工修改为平面外有效支撑之间的间距，如果忽视此问题，会错误地计算屋面梁平面外的稳定，造成工程安全隐患，本工程屋面梁平面外有效支撑之间的间距取屋面横向支撑的节距。
（3）在构件拼接节点设计时，应充分考虑构件受力以及运输和施工安装等因素，将拼接节点设在构件受力较小处，构件的长度以6～11米为宜。排架与柱间支撑、屋面支撑以及系杆等的连接件，应在施工图中详细标明，便于钢结构构件在工厂的加工制作，避免主要构件在现场打孔和焊接。
2、吊车梁和吊车制动系统
吊车荷载是该厂房的主要荷载，吊车梁的尺寸直接影响厂房高度的确定，所以应首先进行吊车梁的设计。 本工程吊车梁按简支梁设计，传力明确、构造简单、施工方便。吊车梁设计内容包括强度、稳定、连接、挠度、疲劳和构造等。
吊车梁上翼缘的宽度除满足强度、稳定等要求外，尚应考虑固定轨道和连接制动结构所需的构造尺寸，必要时可将上翼缘两侧作成不等宽，并予留螺栓孔。吊车梁相互之间连接为铰接，连接的部位应在吊车梁截面重心位置。吊车梁下翼缘连接焊缝较其它部位特殊，应为一级焊缝，这是在设计中容易忽视的问题。
吊车制动系统由吊车梁上翼缘、制动板（即走道板）和边梁组成。边梁应按双向受弯构件设计，水平方向承受吊车横向水平荷载，竖向承受走道板的竖向荷载，本工程吊车制动边梁的截面由竖向挠度控制，选用槽钢32a。制动板（即走道板）为受弯构件，其与吊车梁采用高强螺栓连接，螺栓间距除满足计算外，还必须满足构造要求，而制动板与制动边梁的连接采用焊接，俯焊焊缝采用间断焊缝，以防止较薄的制动板因焊接产生较大变形。
3、肩梁和牛腿的设计
实腹式上段柱在肩梁处的连接有两种方式：一是将上段柱腹板与肩梁上盖板用两条角焊缝相连，并按与腹板等强度考虑。上段柱翼缘的连接则根据不同情况分别考虑：对于边列柱的上段柱，可将外侧翼缘直接与下段柱外侧翼缘或屋盖肢腹板对焊；而边列柱的上段柱内侧翼缘及中列柱的上段柱的翼缘与肩梁的连接，均将翼缘开槽口插入肩梁腹板上，用4条角焊缝传力。二是将实腹式上段柱直接对焊在肩梁上，此时宜将上盖板下移，变为两块加强板的形式，焊于肩梁腹板的两侧。但当实腹式上段柱截面较小，设计假定与肩梁为铰接连接时，也可将上段柱直接对焊在肩梁上盖板上。另外，吊车梁支承垫板的宽度一般比吊车梁支座宽80mm，其厚度一般为20～40mm。
4、柱脚设计
当柱脚埋在地下时，为了防止柱脚的锈蚀，应采用C7.5或C10砼将柱脚包至室内地面以上0.1～0.2m。柱脚埋置深度一般可根据车间类别参考下列数值采用：轻、中型厂房：0.6～1.0m；重、特重型厂房为：1.0～1.5m[3]。
五、结语
重型车间结构采用钢结构主要优势在于适用范围大、建设周期短，同时因其为全钢结构，其外观及内部视觉效果好，建筑美观，因而越来越多受到业主的青睐。在钢结构厂房的设计中，设计人员应根据厂房不同的工艺要求、吊车吨位，选择合理的结构形式，确定经济的柱距、跨度及柱截面形式，充分发挥钢结构厂房的优势，同时也应积极选用新型钢材，最大程度地利用材料特性，提高钢结构工业化生产水平，适应市场经济的需求。
参考文献：
[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].
[2]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].
[3]赵熙元.建筑钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
【摘 要】重型车间结构采用钢结构主要优势在于适用范围大、建设周期短，同时因其为全钢结构，其外观及内部视觉效果好，建筑美观，因而受到越来越多业主的青睐。本文结合工程实例，简要介绍了重钢结构的设计特点，对重钢结构的柱、吊车系统、屋盖及支撑系统的设计作了简要分析，并与轻钢门式刚架结构的区别进行了简要的阐述，可以指导工程设计与施工。
【关键词】钢结构；重钢车间；结构设计
一、引言
与传统的混凝土排架结构相比，吊车吨位在50吨以上的重型车间采用钢结构的优势很多，施工速度快，建设周期短，外观现代美观。随着钢结构的普及，市场竞争的激烈，重型车间采用钢结构的造价也具有相当的竞争力。
二、工程概况
某厂房位于南京江宁开发区，车间主跨跨度为24米，檐口标高18.00m，轨顶标高14.10m，一台75/20吨吊车。附跨跨度为18m，檐口标高13.00m，轨顶标高9.00米，一台30/5吨吊车，车间总长112.5m。该车间2010年12月开始设计，2013年3月初竣工交付使用。
三、车间结构设计
本工程为重钢结构，与一般轻钢结构相比，重钢结构的主要特点为：1）：厂房行车起吊重量大、起吊高度大；2）每平米用钢量大；3）限制条件不同，例如，变形和长细比控制严格等；4）荷载取值不同，特别是风荷载；5）分析方法不同，尤其是计算长度确定和局部稳定计算等；6）构件构造要求不同。
1.主要荷载
该厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载及走道板活荷载；水平荷载包括风荷载、吊车水平荷载等。屋面活荷载0.5KN/m2，走道板活荷载2.0KN/m2。吊车荷载直接输入吊车样本，由程序导入。
2.主要材料的选用
由于Q345钢市场价格与Q235钢相差不大，Q345钢不仅强度高，同时又具有良好的可焊性及可加工性等工艺性能，所以本工程主受力柱、梁均采用Q354-B钢材，吊车梁采用Q345-B钢材。墙梁、支撑、屋面檩条等均采用Q235-B钢材，屋面板及墙面板为彩色金属压型钢板，岩棉保温。
3.主要结构选型及布置
本工程设计时首先是根据厂家提供的吊车资料，获取有关吊车的详细数据，以此为基础确定厂房柱的上、下柱高度。根据吊车吨位，估计主跨上柱净高在3.9～4.2m之间（不含屋面结构高度在内的高度）。其次是从经济性出发，上柱和下柱截面可分别采用实腹式工字形截面和格构式箱形截面，下柱截面450x1400mm，上柱截面300x700mm，上下柱之间通过钢肩梁进行转换。第三是结构抗侧力体系可以考虑为横向钢框架（梁柱节点刚接），纵向柱间支撑；对于轻型屋面，24m跨度的屋面梁为工字型变截面实腹焊接截面梁，屋面坡度为1/15，为可靠传递吊车横向刹车力产生的荷载，该梁应该满足压杆长细比的构造要求。第四是7.5m跨度的吊车梁，由于没有现成的标准图可资利用，可设计为实腹式等截面工字形吊车梁，主跨梁高为1200mm，上翼缘宽度为350mm（要考虑吊车轨道的安装构造要求），还需要设置制动梁；附跨梁高为800mm，上翼缘宽度为350mm；吊车梁上翼缘、制动（即走道板）和边梁组成吊车制动结构，既承受吊车横向水平荷载和其它因素产生的水平力，又可增加吊车梁的侧向刚度，保证吊车梁的侧向稳定性。
4.基础设计
本工程为全钢结构，墙体屋面亦为轻质材料，结构自重轻，竖向荷载小。一般情况下基础采用柱下独立基础，柱脚为分离式柱脚，构造简单、节约钢材、安全可靠。
计算结果表明，柱脚竖向反力与混凝土结构相比较小，但弯矩较大。基础设计时须根据受力特点合理设计，适当加大基础截面，同时注意基础的埋深。
四、结构设计中需注意的问题
1、框排架设计
（1）本工程在程序电算过程中，上阶柱腹板高厚比不满足《钢结构设计规范》[1]5.4.2条和《建筑抗震设计规范》[2]9.2.12条要求，需按《钢结构设计规范》[1]5.4.6条用纵向加劲肋加强腹板，纵向加劲肋在腹板两侧成对布置，设置纵向加劲肋后的腹板在受压较大翼缘与纵向加劲肋之间的高厚比是否满足《钢结构设计规范》[1]5.4.2条的要求，需要补充计算。厂房的下柱采用工字钢（吊车肢）与双角钢（屋盖肢）组合的格构式柱，按照规范规定，整体的平面外稳定不必验算，只要单肢够就行；这是因为M作用于虚轴的格构压弯构件，平面外整体稳定是由分肢的稳定来保证的。分肢是轴心受压构件（缀条式），在初选截面时，就最好保证分肢的两个方向长细比接近，这样截面利用效率高。
（2）一般设计屋面梁时采用变截面设计可以减少用钢量，经济的设计不但要变截面高度，更重要的是变翼缘的宽度、厚度及腹板的厚度，本工程屋面梁截面高度和板件厚度在满足强度、稳定、挠度等方面要求的情况下做了优化设计，也就是利用截面的变化，使各截面“组合应力”与材料设计强度值的比值尽可能接近，即使材料分布更接近于应力图形的分布，达到经济合理的目的。另外电算时应注意到屋面梁平面外计算长度程序默认值为杆件的实际长度，实际计算必须手工修改为平面外有效支撑之间的间距，如果忽视此问题，会错误地计算屋面梁平面外的稳定，造成工程安全隐患，本工程屋面梁平面外有效支撑之间的间距取屋面横向支撑的节距。
（3）在构件拼接节点设计时，应充分考虑构件受力以及运输和施工安装等因素，将拼接节点设在构件受力较小处，构件的长度以6～11米为宜。排架与柱间支撑、屋面支撑以及系杆等的连接件，应在施工图中详细标明，便于钢结构构件在工厂的加工制作，避免主要构件在现场打孔和焊接。
2、吊车梁和吊车制动系统
吊车荷载是该厂房的主要荷载，吊车梁的尺寸直接影响厂房高度的确定，所以应首先进行吊车梁的设计。 本工程吊车梁按简支梁设计，传力明确、构造简单、施工方便。吊车梁设计内容包括强度、稳定、连接、挠度、疲劳和构造等。
吊车梁上翼缘的宽度除满足强度、稳定等要求外，尚应考虑固定轨道和连接制动结构所需的构造尺寸，必要时可将上翼缘两侧作成不等宽，并予留螺栓孔。吊车梁相互之间连接为铰接，连接的部位应在吊车梁截面重心位置。吊车梁下翼缘连接焊缝较其它部位特殊，应为一级焊缝，这是在设计中容易忽视的问题。
吊车制动系统由吊车梁上翼缘、制动板（即走道板）和边梁组成。边梁应按双向受弯构件设计，水平方向承受吊车横向水平荷载，竖向承受走道板的竖向荷载，本工程吊车制动边梁的截面由竖向挠度控制，选用槽钢32a。制动板（即走道板）为受弯构件，其与吊车梁采用高强螺栓连接，螺栓间距除满足计算外，还必须满足构造要求，而制动板与制动边梁的连接采用焊接，俯焊焊缝采用间断焊缝，以防止较薄的制动板因焊接产生较大变形。
3、肩梁和牛腿的设计
实腹式上段柱在肩梁处的连接有两种方式：一是将上段柱腹板与肩梁上盖板用两条角焊缝相连，并按与腹板等强度考虑。上段柱翼缘的连接则根据不同情况分别考虑：对于边列柱的上段柱，可将外侧翼缘直接与下段柱外侧翼缘或屋盖肢腹板对焊；而边列柱的上段柱内侧翼缘及中列柱的上段柱的翼缘与肩梁的连接，均将翼缘开槽口插入肩梁腹板上，用4条角焊缝传力。二是将实腹式上段柱直接对焊在肩梁上，此时宜将上盖板下移，变为两块加强板的形式，焊于肩梁腹板的两侧。但当实腹式上段柱截面较小，设计假定与肩梁为铰接连接时，也可将上段柱直接对焊在肩梁上盖板上。另外，吊车梁支承垫板的宽度一般比吊车梁支座宽80mm，其厚度一般为20～40mm。
4、柱脚设计
当柱脚埋在地下时，为了防止柱脚的锈蚀，应采用C7.5或C10砼将柱脚包至室内地面以上0.1～0.2m。柱脚埋置深度一般可根据车间类别参考下列数值采用：轻、中型厂房：0.6～1.0m；重、特重型厂房为：1.0～1.5m[3]。
五、结语
重型车间结构采用钢结构主要优势在于适用范围大、建设周期短，同时因其为全钢结构，其外观及内部视觉效果好，建筑美观，因而越来越多受到业主的青睐。在钢结构厂房的设计中，设计人员应根据厂房不同的工艺要求、吊车吨位，选择合理的结构形式，确定经济的柱距、跨度及柱截面形式，充分发挥钢结构厂房的优势，同时也应积极选用新型钢材，最大程度地利用材料特性，提高钢结构工业化生产水平，适应市场经济的需求。
参考文献：
[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].
[2]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S].
[3]赵熙元.建筑钢结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.