多连跨重型工业厂房的设计探讨

张梅双

（天津市化工设计院，天津300193）

多连跨重型工业厂房的设计探讨

张梅双

（天津市化工设计院，天津300193）

为了提高我国的重工业发展水平，增强在国际大环境市场经济中的竞争优势，重型工业厂房的建设必须做好科学规划和设计，使其能满足各种重工业生产的需要。多连跨重型工业厂房的厂房结构跨度、纵向柱距、厂房吊车起重量和厂房承重构件的承载能力都比较大，这使得重型工业厂房的建设多采用多连跨。以下将以某化工厂的四连跨厂房为例来具体分析和说明。

多连跨；重型工业厂房；结构体系

1 多连跨重型工业厂房的概述

多连跨重型工业厂房是指重工业厂房中跨数多于两跨的厂房结构形式。本文所探讨工程为某化工厂四连跨重型工业厂房，建筑面积约为1万多平米，长度120m，跨度方向为96m，为4等跨，每跨设有20t桥式吊车一台，吊车轨道顶高度为15m，吊车跨度为21.5m。该场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，地震分组为第二组，场地土为中软土，场地类别为Ⅱ类，50年一遇的基本风压为0.35 kN/m2，基本雪压为0.35kN/m2，本工程墙面采用彩钢板，屋面采用钢屋架及预制大型屋面板。

2 多连跨重型工业厂房的平面结构设计分析法

一般单层多连跨重工业厂房结构模型可以通过将其简化成排架单元或刚架单元，然后采用中国建筑科学研究院的PKPM-PK、STS系列计算软件来进行多台吊车的最不利组合和多跨地震力的计算分析，框架附属结构可简化为荷载着力在框架相应的支撑处，这样不仅能将主要的影响因素凸显出来，还能使设计的计算过程大大简化，本工程主要采用PKPM-PK进行计算。

2.1 竖向荷载

厂房结构的自重和吊车设备的自重等永久载荷、起重物体重量和房顶的活荷载等可变载荷都属于多跨重型工业厂房的竖向荷载。屋面活荷载、雪荷载和屋面自重的标准值都在《建筑结构荷载规范》中有明确的标准值。本工程屋面采用钢屋架及大型屋面板，竖向荷载统计见表1。

表1 厂房荷载标准值 kN/m2

2.2 风荷载

在设计多连跨重工业厂房时要主要考虑风荷载的影响。厂房在风荷载的作用力下会承受风压力和风吸力。由于一般多连跨厂房的长、宽、高都较大，受到风的影响就越大，这种影响可能会造成吊车的故障，所以必须考虑风荷载的影响。垂直于厂房表面上的风荷载标准计算按照以下公式：

其中，βz为z高度时的风振系数，μs为风荷载体型系数，μz为风压高度变化系数，ω0为基本风压。查询规范中全国各城市风压的规定可知，地面粗糙类别为B类，本工程总体高度为19.5n，基本风压为0.35 kN/m2，风压高度变化系数和风振系数按相关公式计算。而由于风荷载在厂房表面的不均匀分布，在计算结构整体时风荷载体型系数μs对于屋面和墙面应有不同的取值。

2.3 地震作用

地震会使地面产生巨大变动，会使建筑厂房中产生惯性力，地震的等级越高，产生的冲击力越大。另外，地震对厂房建筑的破坏作用还与厂房的重量、材料质量、结构布局有关。若厂房所在地为地震多发区，就要计算其作用下的弹性分析，主要检验结构部件的承载力、稳定性和层间位移；若为地震罕见区，则需分析弹塑性，并根据其验证厂房结构的屈服机构和层间位移延性比。

在本建设工程的分析计算中，根据地勘报告本工程的抗震防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g的，地震分组设计为第一组。

2.4 吊车荷载

作为永久荷载的吊车梁轨道和结构产生的自重可以用节点恒载输入软件来计算，吊车在工作时多台吊车的最不利组合作用将会被以吊车荷载输入系统。吊车荷载有三种计算方法，本工程设计选用手工计算法：

最小轮压Pmin=（吊车总重+起重量）/一侧轮数—最大轮压Pmax

横向水平荷载Tk=η（小车重量+额定起重量）× 9.8/一侧轮数/2

其中η的取值会根据吊车的不同而改变，本工程中采用的是硬钩吊车，因此取值20%。

3 多连跨重型工业厂房的空间结构设计分析法

3.1 空间计算模型的楼层处理

在对带吊车的多跨重型工业厂房进行空间模拟分析时，要根据厂房结构体系、结构材料的不同做出不同的设计选择。多跨重型工业厂房与一般的结构体系由于受力位置不同，吊车荷载作用位置不同，荷载作用点（牛腿或肩梁）将框架柱分成上柱和下柱，甚至有时还有中柱，每根柱都有多个截面要计算，因此在荷载作用点（牛腿和肩梁）处设置一个标准楼层。

3.2 空间计算模型的节点处理

吊车荷载作用的牛腿处或肩梁一般没有楼板，因此该层节点为不受刚性楼板假定制约的“弹性节点”。地震作用时的振型个数会随着厂房结构定义的“弹性节点”的增多而增加，振型个数的分析应采用“总刚模型”。

3.3 柱截面形状的等效替换

在设计多连跨重型工业厂房的空间结构模型时，可供选择的柱截面只是有限的几种形式，而且不包括格构式截面。但是在重型工业厂房结构体系中的柱基本都是格构式柱截面，所以在进行多连跨重工业厂房的分析设计时通常采用等效替代的方法。

3.4 吊车荷载的处理

软件程序可以通过计算吊车运行轨迹来得出吊车荷载的作用点，也就是与吊车轨道相交的柱列各节点。但是在地震分析时却没有将吊车桥架质量和硬钩吊车的吊重质量列入考虑，这是因为二者是移动荷载，而目前的程序只能计算一组固定质量的地震作用。

3.5 可变荷载的最不利布置

可变荷载由于其在时间和空间上分布的随机性，在多连跨重构设计中可以通过调节可变荷载的不利位置，从而找出整个结构中受力构件最不利的受力状态。对本层影响较大的是梁的活荷载，同时层与层之间的影响也不大，所以在分析时采用分层刚度模型。

本工程将恒载和活载分开输入，并将梁的活荷载不利布置考虑在内，选择单向荷载导荷方式和一次性的加载方式。

实际模型要想比较真实的模拟，就要在解决平面建模和空间建模的关键技术问题后才能得以实现，这样模拟之后就可以更好的对厂房进行分析。

4 多连跨重型工业厂房结构体系分析

4.1 水平受力体系

本工程屋盖的做法是采用的在钢屋架上铺预制钢筋混凝土屋面板传统做法，这种屋盖结构的抗水平荷载能力差，整体性不强，为了改进这种方法带来的不足，本工程在厂房的周边增设封闭的上下弦水平支撑和纵向垂直支撑，相对应的位置设置柱间支撑，以达成封闭的支撑系统，提高结构的整体协调变形能力。多连跨重型工业厂房建筑体系还可以采用空间网架结构。网架结构的整体效果好，刚度大，内部各构件可以互相支撑，力的传播途径简单易分析，而且材料的利用率达到最大。

4.2 竖向受力体系

在多连跨重型工业厂房的结构组成中，若按三维角度考虑，竖向的受力系统一般由横向框架和竖向框架两部分构成。横向框架又可以根据柱脚构造、梁柱节点连接方式和支撑的布置等方面分为四个不同的类别。若从工程建设方面来看，多连跨重工业厂房的结构受力体系可分为框（排）架支撑体系和纯框架体系。框架支撑体系的柱间支撑可能会影响生产过程中的使用，适用于纵向长、横向短的厂房。纯框架体系不设置柱间支撑，有利于工艺布置，但不宜使用在水平载荷大或长期处于振动状态的厂房。

总之，本工程仅以某化工厂四连跨重型工业厂房为例进行分析探讨，研究对象比较单一，且未考虑基础设计及施工、运输、安装等方面的实际要求。不同的设备、不一样的工艺流程对多连跨重型工业厂房的构建提出不同的要求，灵活多变的结构体系，形式多样的梁柱截面，都应该根据厂方自身特点做出调整和改进从而实现多连跨重型工业厂房的不断扩大化和科学化，为重工业企业带来更好的效益。

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.04.022

TU208.5

C

1008-1267（2015）04-0054-03

2015-04-18