论厂房排架结构设计

关键词：框排架结构；SATWE；轻钢结构 

　　1.引言 

　　排架结构：顾名思义，一排一排的。排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。是单层厂房结构的基本结构形式.主要用于单层厂房，由屋架、柱子和基础构成横向平面排架，是厂房的主要承重体系，再通过屋面板、吊车梁、支撑等纵向构件将平面排架联结起来，构成整体的空间结构。工业生产车间主体采用框排架结构，主跨屋面采用轻钢结构。 

　　2.工程概况 

　　（1）某市开发区工程项目，厂房车间长274米，宽68米，主跨柱顶高23米。该车间按照工艺流程分为5个工段布置，由于结构超长需考虑在每个工段间设置抗震缝，缝宽150mm。建筑结构的安全等级为二级，设计使用年限为50年。抗震设防烈度为七度（设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组）；建筑场地类别为Ⅳ类。建筑抗震设防类别为丙类，钢筋混凝土框架结构的抗震等级为三级。（2）工程项目地质属东南沿海的平原地带，地势平坦，场地内不存在可液化土层，但地基土属软弱土，为于抗震不利地段。造纸车间采用钢筋混凝土框排架结构，框架柱轴力大，为保证设备正常运行，有效地克服不均匀沉降的问题，以及考虑安全和经济因素，结合当地实际状况，基础形式采用预应力管桩。主楼部分桩的布置根据荷载分布情况布置，承台按桩冲切要求确定厚度，承台厚度为1200mm，桩顶标高为-2.3m，伸入承台100mm。 

　　3.框排架结构体系 

　　排架体系常用于高大空旷的单层建筑物如工业厂房、飞机库和影剧院的观众厅等。其柱顶用大型屋架或桁架连接，再覆以装配式的屋面板，根据需要，有的排架建筑屋顶还要设置大型的天窗、有的则需沿纵向设置吊车梁。由于排架体系的房屋刚度小，重心高，需承受动荷载，因此需要安装柱间斜支撑和屋盖部分的水平平斜支撑，还要在两侧山墙设置抗风柱。 

　　本项目中：（1）生产车间主跨设2台双梁桥式起重机，最大起重量70t（35t+70t+35t）/60t（30t+30t+5t），工作级别A6/A5。主体结构采用钢筋混凝土框排架结构形式，主跨38米，两侧各设10米+6米偏跨，偏跨均为二层，偏跨屋面采用现浇混凝土结构，主跨屋面采用轻钢结构。（2）在工艺布置中设有流水线大型设备，布置要求较复杂。复卷设备正常工作时以2200 r/min速度运转，之后再通过链板机传送至成品库工段。复卷设备转动时，由于设备会产生强烈振动，对设备基础有转动惯量，复卷设备刹车停止时也给基础很大的惯性力矩。因此在结构处理上，该工段设备基础之间要避免共振相互影响，采取从基础完全脱开形式。为避免复卷设备振动的影响，减小不均匀沉降，将基础做成桩筏形基础，提高整体刚度。（3）根据工艺要求，吊车轨顶标高：19.600m，柱顶标高：23.200m，牛腿顶标高：18.430m，吊车梁采用钢结构，配制动桁架。（4）屋面以钢梁、檩条、系杆、支撑等组成的轻钢结构。厂房横向由钢梁承受竖向恒载、活载、风载；厂房纵向由排架柱、连系梁组成结构体系，承受纵向水平荷载（吊车纵向水平刹车力、纵向风荷载、纵向地震力）。屋面为压型钢板；檩条为薄壁卷边Z型钢。（5）根据本工程情况屋面钢梁与柱铰接，钢结构分析及截面验算主要依据《建筑抗震设计规范》、《钢结构设计规范》、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》设计。 

　　4. 排架结构设计要点 

　　这里是对工艺设备荷载进行简化，用SATWE进行计算，计算结果符合设计要求，采取适当构造措施使整个结构设计合理。 

　　4.1主要荷载 

　　（1）楼面活荷载：电缆夹层4.0kN/m2；配电室10.0kN/m2；部分工段7.5m高主楼层楼面荷载25.0kN/m2； （2）基本风压0.55kN/m2 ，地面粗糙度为B类； （3）基本雪压：0.2kN/m2；（4）混凝土屋面活荷载：上人屋面（考虑设备安装荷载）15.0kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2；（5）轻型钢结构屋面活荷载：屋面板及檩条0.5 kN/m2， 屋面钢梁及刚架0.3 kN/m2，并按集中荷载考虑屋面通风设备基础。 

　　4.2混凝土结构计算 

　　结构整体计算采用SATWE软件，需要注意的几点：（1）在PMCAD中建模时需注意楼面设备基础下应设置主、次梁承托，当设备基础平面尺寸较大时，可设置多道；模型中输入的缺口梁高度为缺口部位的净尺寸。（2）在SATWE中输入设计参数，需要注意的是勾选按单偏压计算，以及“考虑双向地震”，计算振型个数根据工况调整等。（3）在“特殊构件补充定义”中点取角柱，对一些特殊梁进行铰接处理。（4）SATWE计算分析结果，当“周期 振型 地震力”中有地震作用最大的方向结果≥±15度时，需调整“总信息”中的“水平力与整体坐标夹角”重新计算。 

　　框排架柱的下部框架的结构位移计算中，仅在计算位移、周期等控制参数时，选择“刚性楼板假定”计算，以满足规范要求的计算条件；但应以弹性楼板假定进行配筋及其他分析。多遇地震作用下二层X、Y方向最大值层间位移角应满足《抗震规范》5.5.1条≤1/550的要求，罕遇地震作用下一层X、Y方向最大值层间位移角应满足《抗震规范》5.5.5条≤1/50的要求。 

　　由于工艺设备的分布特点，造成结构的刚度和荷载分布不均匀。为了减小扭转效应对结构地震反应的影响，需进行调整使结构抗侧力构件的布局均匀对称，同时增加结构周边的刚度，如增大周边梁的高度、楼板的厚度等。 

　　4.3屋面钢结构计算 

　　屋面水平支撑在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。屋面横向支撑设在端部的第一跨和最后一跨，为保证屋面钢结构的整体稳定，在刚架的转折处如边柱柱顶、屋脊，沿房屋全长设置刚性系杆。计算时应同时计算刚性系杆的稳定和长细比。 

　　屋面刚梁的计算采用PKPM系列软件中的STS程序，需要注意的几点：（1）选取一榀钢梁输入计算数据及相关参数。应根据《钢结构设计规范》输入设计控制参数：a.受压构件的容许长细比：200；b.受拉构件的容许长细比：400；c.钢梁的挠度允许值：l/400，考虑以钢梁恒载作用下的变形值起拱。（2）选择杆件截面类型。由于屋面坡度要求1/15，考虑运输、吊装、经济等因素一般要求斜梁构件长度在9m～12m之间，斜梁应分段采用摩擦型高强螺栓拼接，拼接点尽量设在弯矩较小处，并避开顶部檩条及腹部支撑位置。梁端设置为铰接。（3）检验计算结果，进行截面优化，直至构件的强度、平面内稳定性、平面外稳定性、长细比、宽厚比均满足，且各段应力比较接近为宜。 

　　5.结语 

　　排架由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成，柱与屋架铰接，与基础刚接。工业生产车间是比较复杂的结构构造，在设计和施工中存在诸多难点。通过专业之间协作配合，解决由生产功能分区造成的刚度不均匀、振动等问题；结构在频遇地震下处于弹性状态，具有良好的抗震性能。局部顶层结构与夹层结构刚度比较小，采用适当构造措施加强处理，对楼面上设备基础采取轻量化设计，减轻自重，提高整体抗震性能。