多层工业钢平台结构形式选取的探讨

杨媛媛

(北京钢研新冶工程设计有限公司，北京 100081)

在多层工业平台中，大量工业管线的贯穿以及工业设计在空间上的特殊需求，支撑的设置在整个结构中受到一定的限制，在多层钢结构中采用工字形截面柱，配以支撑形成框架-支撑的结构体系有一定的局限性，而十字形截面柱由于是双轴对称或近似双轴对称，截面性能没有强轴和弱轴之分，刚度较为均匀，截面尺寸可以按照两个方向的刚度、强度要求而设计，与梁刚性连接，纵横两方向形成的纯框架结构体系可以形成较大使用空间，使生产工艺设备的布置更为灵活，故而常被采用。降低成本是企业提升盈利能力、提高经济效益的有效途径，因此结构形式的选取对于建设成本的影响至关重要，没有经过仔细推敲的结构都会造成不同程度的浪费。

1 工程概况

某镀锌生产机组中冷却塔钢结构平台，长20 m，宽10 m，高32 m，5层，局部6层，配备5 t吊车，根据工艺的设计要求，只可在L-1轴和L-2轴间设置支撑。该钢结构平台位于车间厂房内，可不考虑风荷载的作用。

(1)方案一：选用焊接十字形截面柱700 mm×300 mm×20 mm×30 mm，柱与梁刚性连接，纵横两方向形成的纯框架结构体系，不设置支撑(图1)。

图1 方案一平面及立面(单位:mm)

(2)方案二：选用工字形截面柱配以支撑形成框架-支撑的结构体系，中柱标高12 m以下采用焊接H700 mm×300 mm×20 mm×36 mm，标高12 m以上采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，边柱采用HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，柱与梁刚性连接，柱强轴为Y方向，弱轴L-A轴、L-B轴的L-1～L-2跨间设置支撑，支撑采用Ф180×6 mm(图2)。

图2 方案二平面及立面(单位:mm)

2 计算结果分析对比

结构计算选用通用软件PKPM，分别对两种方案进行计算分析，在强度和位移均满足规范的要求的前提下，对结构的整体刚度及整个的钢材用量进行对比分析。

2.1 结构整体刚度的对比

(1)方案一：通过计算，得到地震各工况作用下楼层剪力简图及最大位移简图(图3、图4)，无论从剪力图还是位移图中，都可以看出采用十字形截面柱的纯框架结构体系X和Y方向的刚度比较均匀，在地震作用下X方向的最大侧移为16.15 mm，Y方向的最大侧移为21.53 mm，两个方向的侧移相差不大，均满足规范所规定的结构的最大侧移。从层间位移角简图分析(图5)，X方向和Y方向均满足规范所规定的限值，且两个方向相差较小。

图3 地震各工况楼层剪力

图4 地震工况下最大位移

图5 地震工况下最大层间位移角

(2)方案二：采用工字形截面柱并设置支撑的框架-支撑结构体系通过计算X方向最大侧移为4.92 mm，而Y方向的最大侧移为18 mm，两个方向的侧移尽管有一定的差距，但是两个方向的侧移均满足规范所规定的最大侧移，地震各工况作用下楼层剪力简图及最大位移简图(图6、图7)所示。从层间位移角简图分析(图8)，X方向和Y方向尽管位移角值有一定的差距，但是均远远低于规范所规定的限值。

图6 地震各工况楼层剪力

图7 地震工况下最大位移

图8 地震工况下最大层间位移角

将两种方案进行对比，可以得出在完全相同的情况下，采用十字形截面柱的纯框架结构体系双方向的刚度均匀，结构的侧移及位移角均不大且相差很小；而采用工字形截面柱并设置支撑的框-支结构体系由于只能在X方向设置支撑，受到支撑设置的限制，虽然在设置支撑向的侧向刚度很大，但在无支撑向的侧向刚度相对较小，尽管在两个方向的刚度有一定的差距，但均能满足规范的要求，而且数值远低于规范的限值。

2.2 钢材用量的对比

通过核算，采用方案一时，钢结构平台的钢材用量为218 t，而采用方案二时，在同等的情况下，钢结构平台的钢材用量仅为197 t，比方案一减少了近10 %，可见采用工字形截面柱并设置支撑的框-支结构体系比采用带翼缘十字形截面柱的纯框架结构体系在用钢量上有较强的优势。

3 结束语

通过对该钢结构平台两种方案不同模型的计算，可以看出十字形截面柱的纯框架结构体系结构双方向的刚度比较均匀，在工艺布置及管道设置中更为灵活，但是钢材用量相对工字形截面柱并设置支撑的框架-支撑结构体系结构体系的用钢量偏大近10 %，从经济性来说，工字形截面柱并设置支撑的框架-支撑结构体系结构体系更为有优势，虽然在刚度上两个方向刚度不如带翼缘十字形截面柱的纯框架结构体系均匀，但均能满足规范的要求，结构的安全性得到了保证，工艺和管道的设置尽管有一定的局限性，但可以通过不同的支撑形式(人字撑，十字撑，V字撑等)来满足工艺的需求。建筑结构选型是结构的灵魂，而经济性是影响结构选型的重要因素，贯彻实施“适用、经济、安全、美观”的建筑方针，把经济摆在首要地位，综合考虑各方面因素，从而找出一个最优的方案，就工业建筑中的多层钢框架厂房采用工字形截面柱加支撑的框架-支撑结构体系结构体系比采用带翼缘十字形截面柱的纯框架结构体系更适用。