張梅雙

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

多連跨重型工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)探討

張梅雙

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

為了提高我國的重工業(yè)發(fā)展水平，增強(qiáng)在國際大環(huán)境市場經(jīng)濟(jì)中的競爭優(yōu)勢，重型工業(yè)廠房的建設(shè)必須做好科學(xué)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，使其能滿足各種重工業(yè)生產(chǎn)的需要。多連跨重型工業(yè)廠房的廠房結(jié)構(gòu)跨度、縱向柱距、廠房吊車起重量和廠房承重構(gòu)件的承載能力都比較大，這使得重型工業(yè)廠房的建設(shè)多采用多連跨。以下將以某化工廠的四連跨廠房為例來具體分析和說明。

多連跨；重型工業(yè)廠房；結(jié)構(gòu)體系

1 多連跨重型工業(yè)廠房的概述

多連跨重型工業(yè)廠房是指重工業(yè)廠房中跨數(shù)多于兩跨的廠房結(jié)構(gòu)形式。本文所探討工程為某化工廠四連跨重型工業(yè)廠房，建筑面積約為1萬多平米，長度120m，跨度方向?yàn)?6m，為4等跨，每跨設(shè)有20t橋式吊車一臺，吊車軌道頂高度為15m，吊車跨度為21.5m。該場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，地震分組為第二組，場地土為中軟土，場地類別為Ⅱ類，50年一遇的基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2，本工程墻面采用彩鋼板，屋面采用鋼屋架及預(yù)制大型屋面板。

2 多連跨重型工業(yè)廠房的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析法

一般單層多連跨重工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)模型可以通過將其簡化成排架單元或剛架單元，然后采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM-PK、STS系列計(jì)算軟件來進(jìn)行多臺吊車的最不利組合和多跨地震力的計(jì)算分析，框架附屬結(jié)構(gòu)可簡化為荷載著力在框架相應(yīng)的支撐處，這樣不僅能將主要的影響因素凸顯出來，還能使設(shè)計(jì)的計(jì)算過程大大簡化，本工程主要采用PKPM-PK進(jìn)行計(jì)算。

2.1 豎向荷載

廠房結(jié)構(gòu)的自重和吊車設(shè)備的自重等永久載荷、起重物體重量和房頂?shù)幕詈奢d等可變載荷都屬于多跨重型工業(yè)廠房的豎向荷載。屋面活荷載、雪荷載和屋面自重的標(biāo)準(zhǔn)值都在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中有明確的標(biāo)準(zhǔn)值。本工程屋面采用鋼屋架及大型屋面板，豎向荷載統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 廠房荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m2

2.2 風(fēng)荷載

在設(shè)計(jì)多連跨重工業(yè)廠房時要主要考慮風(fēng)荷載的影響。廠房在風(fēng)荷載的作用力下會承受風(fēng)壓力和風(fēng)吸力。由于一般多連跨廠房的長、寬、高都較大，受到風(fēng)的影響就越大，這種影響可能會造成吊車的故障，所以必須考慮風(fēng)荷載的影響。垂直于廠房表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算按照以下公式：

其中，βz為z高度時的風(fēng)振系數(shù)，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ω0為基本風(fēng)壓。查詢規(guī)范中全國各城市風(fēng)壓的規(guī)定可知，地面粗糙類別為B類，本工程總體高度為19.5n，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)按相關(guān)公式計(jì)算。而由于風(fēng)荷載在廠房表面的不均勻分布，在計(jì)算結(jié)構(gòu)整體時風(fēng)荷載體型系數(shù)μs對于屋面和墻面應(yīng)有不同的取值。

2.3 地震作用

地震會使地面產(chǎn)生巨大變動，會使建筑廠房中產(chǎn)生慣性力，地震的等級越高，產(chǎn)生的沖擊力越大。另外，地震對廠房建筑的破壞作用還與廠房的重量、材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)布局有關(guān)。若廠房所在地為地震多發(fā)區(qū)，就要計(jì)算其作用下的彈性分析，主要檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)部件的承載力、穩(wěn)定性和層間位移；若為地震罕見區(qū)，則需分析彈塑性，并根據(jù)其驗(yàn)證廠房結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)構(gòu)和層間位移延性比。

在本建設(shè)工程的分析計(jì)算中，根據(jù)地勘報(bào)告本工程的抗震防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g的，地震分組設(shè)計(jì)為第一組。

2.4 吊車荷載

作為永久荷載的吊車梁軌道和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的自重可以用節(jié)點(diǎn)恒載輸入軟件來計(jì)算，吊車在工作時多臺吊車的最不利組合作用將會被以吊車荷載輸入系統(tǒng)。吊車荷載有三種計(jì)算方法，本工程設(shè)計(jì)選用手工計(jì)算法：

最小輪壓Pmin=（吊車總重+起重量）/一側(cè)輪數(shù)—最大輪壓Pmax

橫向水平荷載Tk=η（小車重量+額定起重量）× 9.8/一側(cè)輪數(shù)/2

其中η的取值會根據(jù)吊車的不同而改變，本工程中采用的是硬鉤吊車，因此取值20%。

3 多連跨重型工業(yè)廠房的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析法

3.1 空間計(jì)算模型的樓層處理

在對帶吊車的多跨重型工業(yè)廠房進(jìn)行空間模擬分析時，要根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料的不同做出不同的設(shè)計(jì)選擇。多跨重型工業(yè)廠房與一般的結(jié)構(gòu)體系由于受力位置不同，吊車荷載作用位置不同，荷載作用點(diǎn)（牛腿或肩梁）將框架柱分成上柱和下柱，甚至有時還有中柱，每根柱都有多個截面要計(jì)算，因此在荷載作用點(diǎn)（牛腿和肩梁）處設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)樓層。

3.2 空間計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)處理

吊車荷載作用的牛腿處或肩梁一般沒有樓板，因此該層節(jié)點(diǎn)為不受剛性樓板假定制約的“彈性節(jié)點(diǎn)”。地震作用時的振型個數(shù)會隨著廠房結(jié)構(gòu)定義的“彈性節(jié)點(diǎn)”的增多而增加，振型個數(shù)的分析應(yīng)采用“總剛模型”。

3.3 柱截面形狀的等效替換

在設(shè)計(jì)多連跨重型工業(yè)廠房的空間結(jié)構(gòu)模型時，可供選擇的柱截面只是有限的幾種形式，而且不包括格構(gòu)式截面。但是在重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系中的柱基本都是格構(gòu)式柱截面，所以在進(jìn)行多連跨重工業(yè)廠房的分析設(shè)計(jì)時通常采用等效替代的方法。

3.4 吊車荷載的處理

軟件程序可以通過計(jì)算吊車運(yùn)行軌跡來得出吊車荷載的作用點(diǎn)，也就是與吊車軌道相交的柱列各節(jié)點(diǎn)。但是在地震分析時卻沒有將吊車橋架質(zhì)量和硬鉤吊車的吊重質(zhì)量列入考慮，這是因?yàn)槎呤且苿雍奢d，而目前的程序只能計(jì)算一組固定質(zhì)量的地震作用。

3.5 可變荷載的最不利布置

可變荷載由于其在時間和空間上分布的隨機(jī)性，在多連跨重構(gòu)設(shè)計(jì)中可以通過調(diào)節(jié)可變荷載的不利位置，從而找出整個結(jié)構(gòu)中受力構(gòu)件最不利的受力狀態(tài)。對本層影響較大的是梁的活荷載，同時層與層之間的影響也不大，所以在分析時采用分層剛度模型。

本工程將恒載和活載分開輸入，并將梁的活荷載不利布置考慮在內(nèi)，選擇單向荷載導(dǎo)荷方式和一次性的加載方式。

實(shí)際模型要想比較真實(shí)的模擬，就要在解決平面建模和空間建模的關(guān)鍵技術(shù)問題后才能得以實(shí)現(xiàn)，這樣模擬之后就可以更好的對廠房進(jìn)行分析。

4 多連跨重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系分析

4.1 水平受力體系

本工程屋蓋的做法是采用的在鋼屋架上鋪預(yù)制鋼筋混凝土屋面板傳統(tǒng)做法，這種屋蓋結(jié)構(gòu)的抗水平荷載能力差，整體性不強(qiáng)，為了改進(jìn)這種方法帶來的不足，本工程在廠房的周邊增設(shè)封閉的上下弦水平支撐和縱向垂直支撐，相對應(yīng)的位置設(shè)置柱間支撐，以達(dá)成封閉的支撐系統(tǒng)，提高結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)變形能力。多連跨重型工業(yè)廠房建筑體系還可以采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體效果好，剛度大，內(nèi)部各構(gòu)件可以互相支撐，力的傳播途徑簡單易分析，而且材料的利用率達(dá)到最大。

4.2 豎向受力體系

在多連跨重型工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)組成中，若按三維角度考慮，豎向的受力系統(tǒng)一般由橫向框架和豎向框架兩部分構(gòu)成。橫向框架又可以根據(jù)柱腳構(gòu)造、梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式和支撐的布置等方面分為四個不同的類別。若從工程建設(shè)方面來看，多連跨重工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)受力體系可分為框（排）架支撐體系和純框架體系?？蚣苤误w系的柱間支撐可能會影響生產(chǎn)過程中的使用，適用于縱向長、橫向短的廠房。純框架體系不設(shè)置柱間支撐，有利于工藝布置，但不宜使用在水平載荷大或長期處于振動狀態(tài)的廠房。

總之，本工程僅以某化工廠四連跨重型工業(yè)廠房為例進(jìn)行分析探討，研究對象比較單一，且未考慮基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工、運(yùn)輸、安裝等方面的實(shí)際要求。不同的設(shè)備、不一樣的工藝流程對多連跨重型工業(yè)廠房的構(gòu)建提出不同的要求，靈活多變的結(jié)構(gòu)體系，形式多樣的梁柱截面，都應(yīng)該根據(jù)廠方自身特點(diǎn)做出調(diào)整和改進(jìn)從而實(shí)現(xiàn)多連跨重型工業(yè)廠房的不斷擴(kuò)大化和科學(xué)化，為重工業(yè)企業(yè)帶來更好的效益。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.022

TU208.5

C

1008-1267（2015）04-0054-03

2015-04-18