单层单跨工业厂房排架结构设计 [如何对大型工业厂房排架结构实施优化设计]

　　【摘 要】随着现代经济发展，大型工业企业为适应市场竞争，要不断进行产品结构调整。厂房要承受吊车、动力机械等动力荷载，为提高生产效率，需要对原有厂房排架结构进行优化设计。本文通过分析大型排架结构工业厂房的设计要点，以某热力站为例，对排架结构的设计问题进行详细分析。以期通过本文的阐述优化工业厂房排架结构设计，同时，为设计人员提供理论参考。
　　【关键字】排架结构；工业厂房；设计
　　一、大型排架结构工业厂房的设计要点
　　1、基本体系
　　单层排架结构的承重体系主要是由横向平面排架和纵向平面排架组成。横向平面排架一般是由若十榀跨度和截面相同的横向柱列和屋架组成，是厂房的基本承重结构。厂房结构承受的竖向荷载(结构自重、屋面活荷载和吊车竖向荷载)及横向水平荷载(风荷载、吊车横向水平荷载和横向水平地震作用)等都主要是通过横向平面排架传到基础和地基的。纵向平面排架则是由纵向柱列和柱间支撑、屋架支撑、抗风柱等组成，其主要作用是保证厂房的纵向刚度和稳定性，并承受纵向风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用等。
　　2、计算方法
　　目前，在设计过程中，为计算方便，普遍假定各个横向平面排架之间以及各个纵向平面排架之间是互不联系、独立工作的。而且由于厂房一般都较长，纵向平面排架的柱列较多，抗侧刚度较大 每根柱实际承受的水平力较小，因此，往往不进行纵向排架计算而只进行横向排架计算 可采用的是中国建筑科学研究院开发的PKPM系列软件中的PK软件进行横向排架汁算。建模时考虑以下2个假定条件：
　　（1）柱下端与基础固接，上端与屋架交接。屋架简化为刚度无限大的刚性杆，其变形忽略不计：
　　（2）不考虑排架之间的空间作用，即各榀排架之间是独立工作，互不联系的平面体系，因此只需要选取其中任意一榀排架进行计算即可。
　　3、排架柱
　　单层厂房竖向荷载一般并不太大且混凝土受压承载力较高，因此宜采用工型柱，这样做不仅能降低造价还能减轻自重，对基础的受力有利。排架柱的截面及牛腿尺寸(含所需埋件等)均可根据厂房吊车起重量、轨顶标高等按国标定型图合理选用，不应过大。设计中更重要的工作是确定牛腿、轨顶和柱顶等处的标高，标高确定的依据是甲方单位提供的将采用的吊车的各项准确参数．一般应保证屋架下铉的最下部位距吊车的最高部位的净空尺寸不小于200毫米。
　　4、抗风柱
　　抗风柱的主要作用是承受纵向风荷载，其下端一般做成固端，上端一般与屋架上弦铰接．抗风柱的柱顶标高应低于屋架上铉中心线5O毫米。设置时应注意必须对应屋架的上弦节点位置。不可随意设置。若是与屋架下弦连接，则屋架相应位置须设置下弦横向水平支撑。抗风柱与排架柱均宜预制，柱脚采用插入现浇基础杯口。
　　5、支撑设置
　　一般端跨需设置屋架上下弦支撑和垂直支撑，仅设上柱支撑。在间距不超过66米的中部跨，需设置上下柱柱问支撑。当单元长度超过66米时，尚应在中部柱问支撑上部设置屋架垂直支撑。对标准模数厂房，可直接按网集设置。
　　6、墙体与柱(抗风柱)的拉结
　　应在墙体不同高度设置3—5道闭合圈梁并按构造要求与柱或屋面板拉结。一般屋盖处需设置一道，其余圈梁应尽可能与门窗过梁、连梁结合起来，使一种梁能起到多重作用，以节约材料、方便施工。在抗震条件下，还应沿柱高设置8@500的拉结筋与墙体拉结。
　　二、大型工业厂房排架结构设计的实例分析
　　某热力站厂房为地面式厂房，主厂房(包括安装问)总长l12.8m，其中安装间长32.1m，宽24m，主厂房内设4台水轮发电机组，机组间距为19.05m，主厂房最大高度(主机间)46.43m。发电机层高程为l289.02m，水轮机层高程为1280.60m，厂房底板高程l262.91m。
　　该发电厂房为排架结构，排架应具有必要的抗震承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。
　　1、排架布置根据机组尺寸确定
　　主机间机组间距l9.05m，除l机组段长23.5m外，其余机组段均为l9m。根据设备布置要求，确定厂房上游侧宽15m，下游侧10.5m，共4台机，2，3，4号机机组间距相同，1号机不一样；每台机组段设置l条伸缩缝，每个机组段布置3榀排架，因此在伸缩缝间左、右两边各设置l个排架柱，形成双柱形式，主机间排架柱间距为8.95m与4.5m两种；柱断面下柱为1.1m ×2.2m，上柱为1.1m×1.4m，抗风柱断面0.5m×0.7m，B轴砌体填充墙内设构造柱，断面0.3m ×0.3m，连系梁尺寸为b×h=0.7m×1.1m，扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m。安装间排架柱间距为7.75m，柱断面下柱为1.1m×2.2m，上柱为1.1m×1.4m，抗风柱断面为0.5m×0.7m，B轴砌体填充墙内设构造柱，断面0.3m×0.3m，连系粱尺寸为b×h=0.7m×1.1m，扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m，排架顶部横杆系钢屋架下弦杆。
　　2、排架简化计算
　　（1）横向平面排架：计算中、边排架，钢网架视为两端铰接杆件，只传递轴力。排架柱底部，主机间固定在高程l272.20m和l280.60m大体积混疑土上，安装固定在高程l289.02m上，造独立基础。排架上、下柱为变截面，内力计算时考虑上柱对下柱的偏心影响。
　　（2）纵向平面排架：主机间取1个机组段，安装间取整个为计算单元，主要计算纵向连系粱。
　　3、参数设置
　　地震设计烈度8°，且只考虑水平地震荷载，排架结构按2级建筑物设计，排架结构首先进行刚度验算，然后进行构件强度计算，温度荷载：不考虑内外温差的影响。
　　4、荷载及组合
　　主厂房排架主要承受屋盖系统的重量和吊车荷载，还有发电机层，水轮机层楼板及纵向连系梁(承重墙梁)的重量。
　　（1）恒荷载
　　自重A1：包括(防水层+找平层+保温层+找坡层+屋面板+屋架)；砖墙重A2：主厂房纵向连系梁梁底无填充墙砌筑；发电机层和水轮机层板梁自重传来的荷载A3 (安装问只有发电机层板梁自重传来的荷载A3)；吊车梁自重A4l
　　（2）活荷载
　　屋面均布活荷载包括上人荷载Bl；屋面雪荷载B2；
　　雪荷载：Sk=?r×S。
　　式中S为雪荷载标准值，kN/㎡
　　?r为屋面积雪分布系数
　　S。为基本雪压，kN/㎡
　　发电机层和水轮机层板梁传来的活荷载B3(安装间只有发电机层板梁传来的荷载B3)；
　　吊车满载时的轮压B4；吊车横向水平荷载B5；吊车竖向荷载B6；风荷载B7；地震荷载C；设计烈度8°，场地类型I类，效应调整系数1.35，剪力和弯矩增大系数2.5。
　　基本组合：Al+A2+A3+A4+Bl(或B2)+B3+B4+B5+B7
　　特殊组合：A1+A2+A3+A4+Bl(或B2)+B3+B4+B5+B7+C
　　三、结束语
　　综上所述，对于这种结构形式目前没有规范依据，设计者只能通过自己的经验来进行设计，如对屋面钢梁的挠度限制。在建立计算模型时，应该整体建模，以考虑钢梁同混凝土框排架的整体作用；要做到分析模型与具体的连接构造处理相统一。只有做到理论与实际的统一，才能保证设计成果的安全可靠。
　　参考文献
　　[1]GB50017—2003钢结构设计规范[S]．
　　[2]CECS 102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．
　　[3]刘秀丽．半刚接刚架内力性能分析[J]．钢结构，2006．