浅析高架仓库的结构设计

浅析高架仓库的结构设计

马继军

中国电子系统工程第二建设有限公司   无锡市新吴区  214028

摘 要：

近年来全自动单层高架仓库越来越多的得到应用，高架仓库净高大，地坪平整度高、荷载大，针对这些特点，对该类结构的选型和结构设计进行分析。以实际项目为研究范例，来探讨高架仓库结构设计中的要点，以期达到安全适用和经济合理的结构方案。

关键词：高架仓库 荷载 柱间支撑 屈曲分析 重载地坪

1、工程概况

某高架仓库主要用来存放光伏产品，仓库东西长度197.8m，南北长度136.3m，檐口标高21.3m，屋脊处24.7m，山墙局部有夹层作为参观平台使用，屋面女儿墙7m，地坪使用荷载6t/m²。

2、规范、荷载及结构参数的选择

2.1规范的选择

由于高架仓库跨度大、单层结构高度高，属于大跨度超高门式刚架结构，在结构设计中不能简单套用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015(简称：门规)，在设计过程必须采取有效措施，保证结构的安全性。

本项目檐口标高21.3m，超过了《门规》的使用范围，主要是风荷载体型系数的不适用，风荷载取值依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（简称荷规）取用；经过与当地审图中心沟通，主体结构的设计必须按照《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称钢标）执行。笔者认为，高架仓库在计算柱顶位移时，应按《钢标》控制，柱顶最大水平位移与高度之比不宜大于1/150，且柱截面参数（高厚比、宽厚比）也按《钢标》控制；但是梁的截面参数（高厚比、宽厚比）可以按照《门规》进行控制，以达到兼顾安全和经济的目的。

2.2 结构参数的设计

本项目按照7级抗震烈度进行设计，为Ⅲ类场地，轻钢结构屋面质量轻，变形反应不敏感，对抵抗地震作用有利，在进行抗震设计时按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中单层钢结构房屋确定抗震设计要求。

本项目屋面铺设光伏板，屋面恒载较以往轻钢屋面较重，采用0.55kN/㎡，屋面活载按《工程结构通用规范》（GB55001-2021）取值0.5kN/㎡。

基本风压按50年一遇进行设计，由于高架仓库对风荷载比较敏感，取基本风压的1.1倍，大小为0.385KN/m²，基本雪载按100年一遇进行设计，雪压大小为0.70KN/m²，且女儿墙较高考虑雪荷载的堆积作用对主体结构和围护构件的不利影响。

3、结构设计要点

3.1 截面选择

结构跨度22.5米，采用变截面型钢梁，柱截面有两种选择分别为格构式和工字型钢柱，经过试算，考虑货架布置和经济效益最终选择工字型柱。

3.2 梁柱计算长度选择

(1) 钢梁平面外计算长度取值

过去门刚设计认为檩条可以作为门式刚架屋面钢梁侧向支撑,因此2倍檩条间距可以作为钢梁平面外计算长度。似乎已成为一个默认的选项，有些设计人员因此而认为隅撑可以间隔布置，这是不对的；

《门规》中7.1.6第四款要求，作为钢梁平面外的侧向支撑需要满足以下三个条件：

①在钢梁两侧均设置隅撑；

②隅撑的上支撑点的位置不低于檩条的形心线;

③符合对隅撑的设计要求，即隅撑作为轴心受压杆件，应满足受压计算要求。

隅撑只能作为弹性支座，因此本项目钢梁的平面外计算长度取水平系杆的间距。

(2) 钢柱平面外计算长度取值

本次项目由于使用功能需要，柱间支撑不能按常规方式进行设计，从而导致了厂房纵向刚度不均匀性，且仓库钢柱面外计算长度不统一，从而带来钢柱面外计算长度取值问题。按照以往经验，钢柱面外计算长度按支撑的实际距离取值，需满足前提假设条件：

（1）、柱间支撑均按照规范正常设置；

（2）、支撑需要满足一定的刚度要求；

（3）、满足轴压比限值，且能承受被撑构件屈曲方向的支撑力；

3.3 柱脚设计

本项目的特点是仓库高度较大，柱底采用铰接很难满足建筑物的侧移要求，考虑柱底采用固接。边柱柱底荷载（Mmax）为：Vx=125KN，Mx=1043KN.M，N=494KN，钢柱底部存在较大弯矩，柱脚应能可靠传递柱身承载力，不适宜采用外露式的柱脚形式，本项目采用外包式柱脚。根据《抗规》要求，采用外包式柱脚时，实腹H形截面柱的钢筋混凝土外包高度不宜小于2.5倍的钢结构截面高度，本项目钢柱的外包高度取2.0米，考虑到外包柱截面较大，影响建筑功能使用，将外包柱埋入地下，外包柱顶标高为-0.50m。

3.4 柱间支撑设计

屋面和墙面风荷载体型系数按《荷规》取值，纵向地震作用按《抗规》5.2.1计算。

结构纵向抗侧力构件有钢柱、钢柱间支撑，由于围护墙采用外贴的形式，属于柔性连接，外贴式围护墙不能作为抗侧力构件。在柱间支撑、系杆计算时，柱间支撑是单层钢结构厂房中纵向主要抗震构件，钢柱在纵向抗震计算中作用很小可忽略，风荷载计算时，假定让柱间支撑承担风荷载，按柱间支撑沿荷载方向的分担数量，计算出柱间支撑所承受的作用力，根据受力大小对柱间支撑的构件截面选用。纵向地震作用采用现行《抗规》5.2.6条第二款的规定，即：按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配。

计算柱间支撑时，往往仅只计算单跨支撑，本项目考虑到纵向支撑布置的不均匀性，计算单个支撑并不能反应纵向的整体受力情况，故对整榀刚架进行整体纵向计算。

3.5 抗风柱设计

本项目为抗风柱设置多层柱间支撑，抗风柱与边榀刚架形成完整的抗侧力体系，在该结构体系下，抗风柱的平面外计算长度取支撑的节点间距，平面内计算长度可以保守的取全高，然后利用相关结构工具箱进行计算；抗风柱上端与屋面斜梁下翼缘相连，在连接处结合屋面支撑系统，将山墙风荷载通过屋面水平支撑传递给屋面系统。

3.6 结构地坪设计

高架仓库的地坪除了承重要求较高以外，对地坪的变形控制更为严格。本项目设备厂商要求在最大荷载下，货架区域地坪的沉降变形小于1/1000，任意两点的地坪平整度不超过正负15mm，因此我们选用结构地坪加桩基础。该地坪的设计参照无梁楼盖的结构形式，在桩顶设置桩帽，利用局部加厚的桩帽截面抵抗冲切力，在配筋计算时，也参照无梁楼盖的配筋方式，划分出柱上板带和跨中板带，区分不同区域的钢筋配置，以实现节约成本的目标，具有较高的经济效益。

 4、结构模型分析

此类厂房平面内刚度用于抵抗横向荷载作用，面外刚度较弱可以忽略，因此可以建立二维平面分析模型用于结构单榀设计，但是对柱间支撑不规则布置结构，由于纵向刚度不均匀在风荷载和地震作用下，结构整体受力形式与一般情况不同，将这些单元隔离出来并分别进行设计，往往会给工程或设计结果造成一定的安全隐患，这种情况下应该采取整体建模方法，进行整体分析复核。

进行三维分析时，主要有四个层次的作用，

1、查看结构整体受力时的纵向位移；2、构件受力较大部位分析；3、和二维对比分析，找出差异，最后取包络可以进行下部结构设计；4、主体结构紧邻大雨棚，无法避免需要做联合基础，进行三维整体计算，对基础的相关指标如沉降等，便于查看，也能考虑不同结构之间的相互影响。

三维模型建立时，需要定义柱间支撑、系杆用斜杆表示，本项目为满足经济性和安全性，根据位移比要求和振型输出，增设屋盖水平支撑及柱间支撑数量，来保证屋盖的整体性，满足抗规的变形要求。

5、结语

本文探讨了高架厂房的设计思路，提出了现阶段一些设计要点以及在结构计算过程中需要注意到的问题，在高架钢结构厂房设计过程中，应该全面掌握其受力形态，并选择合适的结构计算模式进行受力分析，并应满足相应设计规范，对其中重要部位进行重点分析设计，以保证整个结构的安全、经济与合理。

参考文献

[1]GB50009-2012建筑结构荷载规范.

[2]GB51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）.

[4]胡海波, 谢红艳. 混凝土柱轻钢屋面结构设计若干问题探讨. 中外建筑. 2018. (12): 145-146.

[5]张漪. 工业厂房混凝土H型钢结构设计. 中国城市经济. 2012. (03): 197-198.

[6]于洁, 汪一骏. 厂房纵向抗震计算理论的探讨. 铁道建筑. 2015. (08): 34-35.

[7]贺丽平, 冯东, 汪一骏. 单层钢厂房纵向抗震计算方法的探讨. 科学技术与工程. 2012. 12(22): 5661-5664.

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