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摘要：随着我国社会经济的发展，各种工业厂房的建设日益加快。随着我国钢产量的增加，采用全钢结构的重型厂房将越来越普遍。钢结构重型工业厂房无疑具有其他结构形式所不具有的显著优势。采用何种结构形式和结构布置应该综合考虑生产工艺，经济技术等因素的影响。本文主要针对重型钢结构厂房结构形式和结构布置，着重介绍了刚接或铰接屋架的重型钢结构厂房荷载和内力计算，以及钢屋架结构设计要点进行探讨。
关键词：重型厂房；钢结构；结构设计；框排架
Abstract: With the development of our social economy, all kinds of industrial plant construction speed up day by day. With China's steel output increases, adopt the whole steel structure of the heavy-duty workshop will become more and more popular. Steel structure heavy industrial workshop undoubtedly have other structure form does not have significant advantage. The type of structure form and structure of the comprehensive consideration of the production process decorate should, economic and technological factors. This article mainly aims at the heavy steel structure plant structure form and structure layout is introduced, and then just answer or hinged steel structure workshop roof of the heavy load and internal force calculation, and the steel roof truss structure design points are discussed.
Keywords: heavy-duty workshop; Steel structure; Structure design; Box bent
中图分类号：TU391 文献标识码：A文章编号：
0 引言
随着我国钢结构产业的迅速发展，钢结构重型工业厂房在各个领域也得到了广泛的应用，尤其在冶金行业、造船行业等领域应用最广。钢结构与混凝土结构相比有独特的优点，它具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小、环保、抗震性能好等特点。由于钢结构技术越来越成熟，钢结构设计软件也越来越先进和人性化，重型钢结构厂房将会有更大的发展前景。
1 重型厂房结构形式和结构布置
1.1 柱网布置和计算单元
确保厂房具有必要的强度和刚度的同时，应注意跨度和柱距的类别尽量少一些，以利于施工；柱距L的取值：一般的，在跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于50t时，柱距取12m较为经济；参数较小的厂房取6m柱距较为合适。如果采用轻型围护结构，则取大柱距15m、18m及24m较适宜；由于工艺要求或其他原因，有时需要将柱距局部加大。如图1中，在纵向轴线B与横向轴线L相交处不设柱子，因而导致轴线k和m之间的柱距增大，這种情形有时形象地称为拔柱。
图1柱网布置
1.2 横向框排架及其截面选择
屋架与柱的连接形式主要有2种：①刚接，屋架与柱子刚接连接；②铰接，屋架与柱子铰接连接。柱脚刚接可以削减上柱柱顶的弯矩值，增大横向框排架的刚度。屋架与柱铰接，可适用于吊车起重量不大、轨顶标高较低的重型厂房结构。屋架与柱刚接适用于设有双层吊车，装备硬钩吊车等的单跨重型厂房。A6～A8级吊车的单跨厂房纵向刚度依靠柱间支撑，横向刚度依靠屋架与柱子刚性连接以及柱子与基础刚性连接。
1.3 柱间支撑布置的基本要求
柱间支撑承受并传递作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等纵向水平荷载，减少柱在平面外的计算长度，保证厂房的纵向刚度。设计时应注意以下要求：①每列柱都要设柱间支撑，多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱间支撑布置在同一柱间；②下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少纵向温度应力的影响，上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱间设置外，还应当在每个温度区段的两端设置；③每列柱顶均要布置刚性系杆。
2 框排架重型厂房荷载及内力计算
2.1 荷载计算
(1)永久荷载。包括屋面恒载、檩条自重、屋架、其他构件自重和围护结构自重。
(2)可变荷载。包括屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载。
(3)施工荷载。主要考虑风荷载，标准值为：
其中：为风压高度变化系数；为体型系数；为风振系数。
风荷载标准值WK是沿垂直建筑物表面方向作用的，为方便将其投影到水平上。刚架计算单元宽b、跨度方向长为h范围内风荷载应合力为：N=bhWK/cosa。投影到水平面上的值P0为：P0=N／bh=WK/ cosa。
2.2 框排架内力计算
为简化计算，引入当量惯性矩将构式拄和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。
当量惯性矩：
和分别为格构柱两肢(或屋架上下两弦)截面积；和分别为格构式柱两肢(屋架上下两弦)的截面形心到格构式柱截面中性轴的距离；为反映剪力和几何形状的修正系数。
对于屋架：其当量惯性矩为：
其中，h为上下两弦截面形心之间的距离。
屋架尺寸未定时，可按下式估算其当量惯性矩：
其中，为简支屋架在屋面荷载作用下的跨中弯矩；f为弦杆抗拉强度设计值。
对框排架进行内力分析，依叠加原理，内力探讨只需针对几种基本类型进行，对于单跨刚架主要是永久荷载、屋面活荷载、左风(右风荷载)、吊车左(右)刹车力、吊车小车靠近左(右)时的重力。
2.3 刚架内力组合原则
荷载效应组合的目的就是找到最不利组合情形对构件和连接进行校核。分别按校核构件中出现的内力，寻求它们分别取可能的最大值时的组合进行校核。对于一般的框排架，按承载能力极限状态设计时，构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定：
其中，SGK、SQK分别按规范规定的标准值算得的永久荷载效应和可变荷载效应；yo、70分别为永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。
受弯构件按下式确定：
其中， 分别为最大正负弯矩；分别为最大正负剪力；M、V分别为应内力组合的弯矩和剪力。
压弯构件按下式确定：
其中，分别为最大正负弯矩；分别为最大正负轴力。
3 钢屋架结构设计要点
3.1 桁架内力计算
(1)荷载分项系数及荷载组合系数按《建筑结构荷载规范》选取。
(2)按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力，通常用的内力分析方法有图解法、解析法、电算。具体分析时，可先分别计算全跨和半跨单位节点荷载作用下的内力，根据不同的荷载组合，列表计算。
(3)节点刚性引起杆件次应力，次应力一般比较小，不予于考虑。但荷载很大的重型桁架有时需要计入次应力的影响。
(4)节间荷载作用的屋架。将节间荷载分配到相邻的节点上，按只有节点荷载作用的屋架计算各杆内力。直接承受节间荷载的弦杆为压弯构件(N，M)，局部弯矩M理论上应按弹性支座上的连续梁计算。
3.2 双角钢截面杆件的节点
确定节点的构造，连接焊缝及节点承载力的计算分析。节点的构造应传力路线明确、简捷、制作安装方便。注意节点板只在弦杆与腹杆之间传力，不直接参与传递弦杆内力，弦杆若在节点板处断开，应设置拼接角钢在两弦杆间直接传力。
3.2.1 节点设计
(1)双角钢截面杆件在节点处以节点板相连，各杆轴线(型钢形心轴线)汇交于节点中心。
(2)角钢的切断面应与其轴线垂直，需要斜切以便使节点紧凑时只能切肢尖。
(3)如弦杆截面需变化，截面改变点应在节点上。当偏心e>0.05h时考虑偏心对杆件产生的附加弯矩：Mi=(M·Ki)／Σki。
(4)节点板上各杆件之间的间距a：受静载时，a≥10～20，受动载时，a≥50。
3.2.2 节点板设计
(1)形状简单、规则，如矩形、梯形。
(2)梯形和平行弦屋架的节点半板厚度由腹杆最大内力确定，三角形屋架节点半板厚度由上弦杆内力决定。在一榀屋架中支座节点板厚度可以大2mm，其他节点板厚度相同。
(3)节点板中的拉剪破坏利用下式验算(如图2)。
图2节点板的拉剪破坏
其中，为第i段的拉剪折算系数；为第i段破坏线与拉力轴线的夹角： 第i段破坏面的截面积。
单根腹杆的节点板按下式计算：
其中，be为节点板的有效宽度，当用螺栓连接时，应取净宽度；t为板件厚度；0应力扩散角，取300。
5 结束语
随着我国钢结构产业的迅速发展，钢结构重型工业厂房在各个领域也得到了广泛的应用，尤其在冶金行业、造船行业等领域应用最广。钢结构与混凝土结构相比有独特的优点，它具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小、环保、抗震性能好等特点。由于钢结构技术越来越成熟，钢结构设计软件也越来越先进和人性化，重型钢结构厂房将会有更大的发展前景。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：重型厂房；钢结构；结构设计；框排架
Abstract: With the development of our social economy, all kinds of industrial plant construction speed up day by day. With China's steel output increases, adopt the whole steel structure of the heavy-duty workshop will become more and more popular. Steel structure heavy industrial workshop undoubtedly have other structure form does not have significant advantage. The type of structure form and structure of the comprehensive consideration of the production process decorate should, economic and technological factors. This article mainly aims at the heavy steel structure plant structure form and structure layout is introduced, and then just answer or hinged steel structure workshop roof of the heavy load and internal force calculation, and the steel roof truss structure design points are discussed.
Keywords: heavy-duty workshop; Steel structure; Structure design; Box bent
中图分类号：TU391 文献标识码：A文章编号：
0 引言
随着我国钢结构产业的迅速发展，钢结构重型工业厂房在各个领域也得到了广泛的应用，尤其在冶金行业、造船行业等领域应用最广。钢结构与混凝土结构相比有独特的优点，它具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小、环保、抗震性能好等特点。由于钢结构技术越来越成熟，钢结构设计软件也越来越先进和人性化，重型钢结构厂房将会有更大的发展前景。
1 重型厂房结构形式和结构布置
1.1 柱网布置和计算单元
确保厂房具有必要的强度和刚度的同时，应注意跨度和柱距的类别尽量少一些，以利于施工；柱距L的取值：一般的，在跨度不小于30m、高度不小于14m、吊车额定起重量不小于50t时，柱距取12m较为经济；参数较小的厂房取6m柱距较为合适。如果采用轻型围护结构，则取大柱距15m、18m及24m较适宜；由于工艺要求或其他原因，有时需要将柱距局部加大。如图1中，在纵向轴线B与横向轴线L相交处不设柱子，因而导致轴线k和m之间的柱距增大，這种情形有时形象地称为拔柱。
图1柱网布置
1.2 横向框排架及其截面选择
屋架与柱的连接形式主要有2种：①刚接，屋架与柱子刚接连接；②铰接，屋架与柱子铰接连接。柱脚刚接可以削减上柱柱顶的弯矩值，增大横向框排架的刚度。屋架与柱铰接，可适用于吊车起重量不大、轨顶标高较低的重型厂房结构。屋架与柱刚接适用于设有双层吊车，装备硬钩吊车等的单跨重型厂房。A6～A8级吊车的单跨厂房纵向刚度依靠柱间支撑，横向刚度依靠屋架与柱子刚性连接以及柱子与基础刚性连接。
1.3 柱间支撑布置的基本要求
柱间支撑承受并传递作用于山墙上的风荷载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力等纵向水平荷载，减少柱在平面外的计算长度，保证厂房的纵向刚度。设计时应注意以下要求：①每列柱都要设柱间支撑，多跨厂房的中列柱的柱间支撑要与边列柱的柱间支撑布置在同一柱间；②下层柱间支撑一般宜布置在温度区段的中部，以减少纵向温度应力的影响，上层柱间支撑除了要在下层柱间支撑布置的柱间设置外，还应当在每个温度区段的两端设置；③每列柱顶均要布置刚性系杆。
2 框排架重型厂房荷载及内力计算
2.1 荷载计算
(1)永久荷载。包括屋面恒载、檩条自重、屋架、其他构件自重和围护结构自重。
(2)可变荷载。包括屋面活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载及吊车荷载。
(3)施工荷载。主要考虑风荷载，标准值为：
其中：为风压高度变化系数；为体型系数；为风振系数。
风荷载标准值WK是沿垂直建筑物表面方向作用的，为方便将其投影到水平上。刚架计算单元宽b、跨度方向长为h范围内风荷载应合力为：N=bhWK/cosa。投影到水平面上的值P0为：P0=N／bh=WK/ cosa。
2.2 框排架内力计算
为简化计算，引入当量惯性矩将构式拄和屋架换算为实腹式构件进行内力分析。
当量惯性矩：
和分别为格构柱两肢(或屋架上下两弦)截面积；和分别为格构式柱两肢(屋架上下两弦)的截面形心到格构式柱截面中性轴的距离；为反映剪力和几何形状的修正系数。
对于屋架：其当量惯性矩为：
其中，h为上下两弦截面形心之间的距离。
屋架尺寸未定时，可按下式估算其当量惯性矩：
其中，为简支屋架在屋面荷载作用下的跨中弯矩；f为弦杆抗拉强度设计值。
对框排架进行内力分析，依叠加原理，内力探讨只需针对几种基本类型进行，对于单跨刚架主要是永久荷载、屋面活荷载、左风(右风荷载)、吊车左(右)刹车力、吊车小车靠近左(右)时的重力。
2.3 刚架内力组合原则
荷载效应组合的目的就是找到最不利组合情形对构件和连接进行校核。分别按校核构件中出现的内力，寻求它们分别取可能的最大值时的组合进行校核。对于一般的框排架，按承载能力极限状态设计时，构件和连接可取下列简化公式中的最不利值确定：
其中，SGK、SQK分别按规范规定的标准值算得的永久荷载效应和可变荷载效应；yo、70分别为永久荷载分项系数和可变荷载分项系数。
受弯构件按下式确定：
其中， 分别为最大正负弯矩；分别为最大正负剪力；M、V分别为应内力组合的弯矩和剪力。
压弯构件按下式确定：
其中，分别为最大正负弯矩；分别为最大正负轴力。
3 钢屋架结构设计要点
3.1 桁架内力计算
(1)荷载分项系数及荷载组合系数按《建筑结构荷载规范》选取。
(2)按节点荷载作用下的铰接平面桁架分析内力，通常用的内力分析方法有图解法、解析法、电算。具体分析时，可先分别计算全跨和半跨单位节点荷载作用下的内力，根据不同的荷载组合，列表计算。
(3)节点刚性引起杆件次应力，次应力一般比较小，不予于考虑。但荷载很大的重型桁架有时需要计入次应力的影响。
(4)节间荷载作用的屋架。将节间荷载分配到相邻的节点上，按只有节点荷载作用的屋架计算各杆内力。直接承受节间荷载的弦杆为压弯构件(N，M)，局部弯矩M理论上应按弹性支座上的连续梁计算。
3.2 双角钢截面杆件的节点
确定节点的构造，连接焊缝及节点承载力的计算分析。节点的构造应传力路线明确、简捷、制作安装方便。注意节点板只在弦杆与腹杆之间传力，不直接参与传递弦杆内力，弦杆若在节点板处断开，应设置拼接角钢在两弦杆间直接传力。
3.2.1 节点设计
(1)双角钢截面杆件在节点处以节点板相连，各杆轴线(型钢形心轴线)汇交于节点中心。
(2)角钢的切断面应与其轴线垂直，需要斜切以便使节点紧凑时只能切肢尖。
(3)如弦杆截面需变化，截面改变点应在节点上。当偏心e>0.05h时考虑偏心对杆件产生的附加弯矩：Mi=(M·Ki)／Σki。
(4)节点板上各杆件之间的间距a：受静载时，a≥10～20，受动载时，a≥50。
3.2.2 节点板设计
(1)形状简单、规则，如矩形、梯形。
(2)梯形和平行弦屋架的节点半板厚度由腹杆最大内力确定，三角形屋架节点半板厚度由上弦杆内力决定。在一榀屋架中支座节点板厚度可以大2mm，其他节点板厚度相同。
(3)节点板中的拉剪破坏利用下式验算(如图2)。
图2节点板的拉剪破坏
其中，为第i段的拉剪折算系数；为第i段破坏线与拉力轴线的夹角： 第i段破坏面的截面积。
单根腹杆的节点板按下式计算：
其中，be为节点板的有效宽度，当用螺栓连接时，应取净宽度；t为板件厚度；0应力扩散角，取300。
5 结束语
随着我国钢结构产业的迅速发展，钢结构重型工业厂房在各个领域也得到了广泛的应用，尤其在冶金行业、造船行业等领域应用最广。钢结构与混凝土结构相比有独特的优点，它具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小、环保、抗震性能好等特点。由于钢结构技术越来越成熟，钢结构设计软件也越来越先进和人性化，重型钢结构厂房将会有更大的发展前景。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。