多层钢结构厂房结构设计分析

多层钢结构厂房结构设计分析

陈鑫

江苏省第一工业设计研究院股份有限公司    江苏省徐州市   221000

摘要：工业是我国经济社会正常运转和发展不可缺少的，如今我国的工业发展规模仍在不断扩大，带来了越来越多的经济效益，是我国社会主义建设的重要资金来源。工业发展需要一定空间的生产场地，满足生产的空间和环境要求，换言之，只有建设好多层钢结构厂房，才能够为工业发展创造必要前提。目前，工业厂房设计已经形成了基本的理念，但是设计师不同，建筑施工的客观条件不同，工业厂房建筑设计会遇到多种问题，需要因地制宜，不断改进优化。可见，加强对多层钢结构厂房结构设计的研究对于工业厂房设计实践仍有重要的指导意义。

关键词：多层钢结构；钢结构厂房；结构设计

1.多层钢结构厂房设计要求

1.1生态性要求

随着工业发展类型的变化，工业厂房设计需要结合生态发展要求。这意味着在设计中设计师要考虑生态环境的保护和可持续发展，以确保经济发展与生态效益相协调。在工业厂房设计中，设计师应该体现经济效益和生态效益相互融合的原则，应该追求既能够提供经济效益又能够减少对环境的负面影响，实现可持续发展。在选址过程中，设计师应该考虑周边产业环境的影响，选择与相关产业相邻的位置可以更好地利用资源，实现资源共享和协同发展。

1.2经济性要求

经济性不仅仅适用于生产过程中的经济效益，也应该在工程设计阶段考虑。设计阶段的经济性考虑可以帮助降低施工成本并提高设计效益。设计师应在满足功能需求的前提下严格控制施工费用的开支，比如可以通过选择经济实用的材料和施工方法以及合理规划工程进度来实现。在设计过程中应该避免不必要的面积投入，降低设计成本。这可以通过精确评估功能需求，避免过度设计和浪费资源。通过合理的厂房合并方式，可以减少建设面积。

1.3安全性要求

安全性是建筑设计中不可或缺的考虑因素，无论是民用建筑还是工业建筑，保障安全性与人身和产品质量的安全密切相关。工业厂房聚集了人员和设备，因此必须从整体性的角度考虑和保障结构的安全性。这包括合理的结构设计、材料选择、施工工艺等方面。在工业厂房设计中，防火、防水和防电方面的工作是重点。合理的防火设计、防水措施和电气安全措施能够有效减少事故风险。

2.钢结构厂房的结构设计原则

2.1结构设计的基本原则

2.1.1荷载分析

结构设计的第一步是对结构承受的各种荷载进行详细的分析。这包括两大类荷载：静态荷载和动态荷载。静态荷载包括结构自身的重量（自重）以及附加在结构上的荷载，如设备、人员、储存物品等。静态荷载分析需要精确计算这些荷载的大小、位置和分布，以确保结构能够承受并分散这些荷载的作用。动态荷载方面，风荷载和地震荷载是最常见的考虑因素。设计师需要根据当地的气象数据和地震危险性计算风荷载和地震荷载的大小和分布。荷载分析是设计的基础，合理的计算可以确保结构的承载能力和稳定性。

2.1.2结构安全性

结构安全性是设计的核心原则之一。设计应确保在各种荷载条件下，结构都不会发生失稳或崩溃，这意味着结构必须具备足够的强度和稳定性，以防止可能的灾难性事故。为了满足这一要求，工程师需要合理选择材料、截面形状和结构连接方式，并保证结构满足标准规定的安全系数。

2.1.3结构可靠性

结构的可靠性是确保结构在整个使用寿命周期内始终保持性能的关键。设计应具备足够的可靠性，以应对材料和施工误差、荷载变化以及长期使用带来的变化。为了实现结构的可靠性，设计师需要采用适当的设计方法和材料选择，确保结构在各种条件下都能保持其功能性和安全性。

2.2风荷载和地震荷载

2.2.1风荷载

风荷载是钢结构厂房设计中必须特别考虑的关键因素之一。设计师需要根据当地的气象数据和相关标准，对风荷载的大小和分布进行详细的分析。这包括风速、风向、风荷载持续时间等参数。风荷载分析的目的是确保结构在面对强风条件时具有足够的稳定性和安全性。分析中还应考虑结构的外形和风阻系数，以最大限度地减小风对结构的影响。

2.2.2地震荷载

地震荷载是另一个极其重要的设计考虑因素。特别在地震频繁的地区，设计师需要根据特定地理位置的地震危险性，精确计算地震荷载的大小和性质。地震荷载分析有助于确定结构的抗震性能，并确保其在地震事件中不会失稳或倒塌。为了满足这一要求，设计师通常会采用抗震构件和技术，如加强连接、基础设计和减震措施，以提高结构的抗震性能。

3.多层钢结构厂房结构设计措施

3.1减震和隔振设计

减震和隔振设计需要根据具体的振动环境和工程要求进行定制。通过合适的振动控制措施，可以确保钢结构厂房在振动环境下安全、可靠地运行，并保护设备和人员的安全。对于工厂机械振动，设计师可以考虑采用隔振基础，或减震装置来降低振动传递到结构的程度。这可以通过选择合适的基础类型、材料和减震器件来实现。减震和隔振措施有助于保护设备免受振动损害，并确保工作环境的安全性和舒适性。对于地震区域的工程，设计师需要采取地震抗震措施，如使用抗震支撑系统和减震器。这些措施可以减小地震荷载对结构的影响，提高结构的抗震性能，降低地震带来的损害和风险。

3.2节点连接方式设计

3.2.1极限状态设计法

极限状态设计法是一种基于性能的设计方法，通常适用于大跨度钢结构厂房等对连接节点强度和稳定性要求较高的结构。该设计方法主要基于结构在极限状态下的性能要求，以确定节点连接方式的强度和稳定性，确保结构在荷载作用下不会出现破坏或失效。极限状态设计法旨在确保结构在极限状态下的性能要求，通常采用可靠性理论，考虑结构荷载和材料的不确定性因素以及结构的安全和可靠性要求。在大跨度钢结构厂房的节点连接设计中，极限状态设计法是一种常见的设计方法，应用过程中需要符合相关标准和规范的要求，以确保结构的安全和可靠性。

该方法的应用步骤为:(1)考虑结构所受的荷载特点，包括静载荷、动载荷、风荷载、地震荷载等，同时根据结构的安全和可靠性要求，确定结构的极限状态要求；(2)结合结构荷载特点、连接节点的强度和稳定性要求等因素，选择合适的连接方式和材料，常见的连接方式包括膨胀锚栓连接、高强度螺栓连接、焊接连接等；(3)进行节点连接的设计和验证，以确定连接的强度和稳定性是否满足结构的要求，同时需要考虑连接的预紧力、焊接质量等因素，以确保连接处的安全性和可靠性。

3.2.2遗传算法

使用遗传算法对大跨度钢结构厂房节点连接进行优化时，需要根据具体的问题定义适当的目标函数和约束条件。一般而言，目标函数包括节点连接的强度、刚度、稳定性、可靠度和经济性等多种性能指标。而约束条件则包括结构限制、工艺限制、材料性能限制和规范限制等。在节点连接设计阶段，遗传算法可以用来搜索设计空间，从而得到最优的节点连接方式和规格，通过对节点连接的参数进行编码，将设计问题转化为优化问题，然后采用遗传算法进行搜索和优化，优化结果可以用于节点连接的设计方案，确定合适的节点连接方式和规格。之后，将节点连接的强度作为目标函数，将节点连接的参数作为优化变量，采用遗传算法进行搜索和优化，得到最优的节点连接方式和规格，同时，采用遗传算法进行灵敏度分析和多目标优化，提高节点连接的可靠性和优化效果。在节点连接优化阶段，可以将节点连接的性能指标作为目标函数，将节点连接的参数作为优化变量，采用遗传算法进行搜索和优化，得到最优的节点连接方式和规格。

3.3防火设计

目前钢结构防火设计受到了更多的关注，要结合工程项目的实际情况对防火等级、防护种类、防火具体情况等进行综合分析，必要时采用性能化分析，设计有效的防火设计方案和材料控制模式，为工程项目整体防火功能的优化提供保障。特别是吊顶钢结构防火设计环节，压板材料防火处理和防锈处理要并行控制，避免结构扭转对其防火效果产生的影响，并配合上下贯通的设计方式，有效提高钢结构设计中防火处理工作的稳定性。

3.4防腐设计

第一，缝隙防腐设计。对于钢结构而言，缝隙腐蚀是较为常见的局部腐蚀，一般会发生在金属表面缝隙中，因为建筑工程项目结构较为复杂，金属孔隙、螺丝缝隙等比较多，一旦出现溶液的留存，就会产生缝隙腐蚀。为避免缝隙腐蚀造成严重影响，在结构设计环节就要对连接位置予以管理，采取非吸湿件垫片，以免造成腐蚀条件。或者是利用外加电流的方式有效建立电化学保护模式，避免腐蚀问题加剧。

第二，应力防腐设计。为从根本上减少腐蚀问题造成的不良影响，可以从设备加工和焊接过程入手，采取去应力退火的方式，消除应力问题对后续产生的影响，或者是借助喷砂处理方式，减少表面应力。只有有效改良介质自身的腐蚀性，才能转变全面腐蚀问题，利用耐应力腐蚀的金属材料，可以最大程度上避免腐蚀问题。

4.多层钢结构厂房结构设计应用

某多层建筑长55.500ｍ，宽33.500ｍ，层高6ｍ，地上4层。拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10ｇ，设计地震分组为第三组。

4.1地基基础设计

根据场地岩土工程勘察报告，本工程所在场地大部分经人工堆填整平，地势平坦。场地表层填土强度较低，可能影响大吨位设备的移动，施工时应给予考虑，且应对场地进行硬化处理。拟建场地与周边建（构）筑物有一定的距离，场地空间基本可以满足冲孔灌注桩、预应力管桩及浅基础施工对场地的要求。预应力管桩为挤土桩，会产生较严重的“挤土效应”，锤击沉桩也会产生一定程度的震动，拟建场地周边存在已建建（构）筑物，桩基施工时产生的“挤土效应”及震动对其有较大影响，施工时应采取措施（如合理安排施工顺序、控制施工速率、挖减振沟等）以减少挤土效应及震动影响，同时应对场地周边已建建（构）筑物进行系统监测。冲孔灌注桩成孔过程中排出地面的泥浆和噪声对周边环境将产生一定的污染，桩基施工时应采取有效的措施做好排污和环境保护工作。

4.2主次梁铰接连接节点做法

主次梁铰接连接的几种常用做法如图1所示。

图1　主次梁铰接连接的几种常用做法

类型Ａ：次梁（简支梁）采用等边角钢与主梁腹板连接。等边角钢与次梁腹板和主梁腹板均采用高强度螺栓连接。

类型Ｂ：次梁（简支梁）与主梁腹板加劲肋连接，次梁腹板与主梁加劲肋采用高强度螺栓连接。

类型Ｃ：次梁（简支梁）采用连接板与主梁腹板连接，连接板采用角焊缝与主梁的翼缘和腹板连接，连接板与次梁腹板采用高强度螺栓连接。

类型Ｄ：次梁（简支梁）采用双连接板与主梁加劲肋连接，主梁加劲肋采用角焊缝与主梁的翼缘和腹板连接，加劲肋和次梁腹板与双连接板采用高强度螺栓连接。

类型Ｅ：次梁（简支梁）采用连接板与主梁腹板连接，连接板采用角焊缝与主梁的翼缘和腹板连接，连接板与次梁腹板采用高强度螺栓连接。

4.3钢梁与钢柱连接做法

梁柱刚接时的设计方法一般有三种，即程序自动确定法、精确设计法、常用设计法，供用户选择。其中，程序自动确定法采用原则：当翼缘塑性惯性矩在整个截面塑性惯性矩中所占的比例不小于0.7时，采用常用设计法，全部弯矩由翼缘承担，全部剪力由腹板承担，不考虑腹板承担弯矩；否则，当翼缘塑性惯性矩在整个截面塑性惯性矩中所占的比例小于0.7时，采用精确设计法，翼缘和腹板根据自身惯性矩在整个截面中所占的一定比例分别分担部分弯矩，腹板还要承担全部剪力。梁柱刚接梁端加强节点：当按《建筑抗震设计规范》与《高层民用建筑钢结构技术规程》进行连接的极限承载力验算不满足时，需要加强节点。常用加强方式有三种，即加盖板方式、采用加宽翼缘方式、加腋方式。对梁端加宽翼缘提供两种方式，即贴焊板加宽梁端翼缘和直接加宽梁翼缘板端头。本工程楼板为花纹钢板加加劲肋的形式，采用加盖板方式，施工方便，且能满足抗震性能要求，做法如图2所示。

图2　梁柱刚接梁端加盖板方式加强节点

结语

综上所述，在未来，创新和技术的应用可以不断提高钢结构厂房的性能、安全性和可持续性，满足不断发展的工程需求。钢结构厂房将继续在各个行业中发挥关键作用，为社会发展作出贡献。

参考文献

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