大跨度鋼結構廠房的設計與應用

劉瓊

0 引言

當前，大跨度鋼框架結構被廣泛應用在倉儲物流車間、健身體育場館、劇院等領域的項目建設中，如圖1 所示。為滿足建筑使用要求，此結構具有跨度大、層高較高等特點，其設計和施工有別于常規的框架結構，在設計選型階段，就需要預先探討施工措施及在建設使用期間可能出現的各種問題。因此要求結構設計人員有良好的職業素質，結合工程建設中遇到的實際情況，以項目綜合經濟指標為基礎理念，在進行大跨度框架結構體系方案的探討與設計中不斷進步和完善。

圖1 建設中的鋼結構廠房

1 概述

《建筑抗震設計規范（2016 年版）》（GB50011-2010）（下文簡稱《抗規》）第10.2 章節對大跨屋蓋建筑提出了一般規定、計算要點及抗震構造措施的規定要求，本章節中大跨屋蓋結構也基本以鋼結構為主；第5.1.1 條款特別對8、9 度時的大跨度和長懸臂結構及9 度時的高層建筑，提出了應計算豎向地震作用的要求，其中關于大跨度和長懸臂結構，根據我國大陸和臺灣地震的經驗是指，9 度和9 度以上時，跨度大于18m 的屋架、1.5m 以上的懸挑陽臺和走廊等；8 度時，跨度大于24m 的屋架、2m 以上的懸挑陽臺和走廊等。

多層鋼結構廠房的跨度范圍較大，通常對跨度在12～40m均有使用需求，尤其是有大型倉儲使用需求的建筑，此類建筑甚至對使用跨度的需求達到40m 以上。多層鋼結構廠房建筑層高及跨度遠大于通常的辦公及商業等用途建筑，結構抗震等級、結構抗震措施、計算等規范要點在滿足《抗規》的前提下，更需要設計師關注結構的抗震性能設計，合理地進行平面布置，盡量均勻、對稱，滿足強柱弱梁的抗震概念設計。

《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）（下文簡稱《標準》）對鋼結構的變形、舒適度、腐蝕性及防火提出了更高的要求，主要是鋼結構具有材料強度高，抗火性能差，其腐蝕性是電化學過程等特性，且由于鋼結構滿足承載力要求所需的剛度較小，從而顯現了結構的振動問題，因此除了需要達到構件強度、穩定性、撓度等規范所提安全指標，在設計計算時應當進一步對結構使用期間的舒適度進行復核驗算。另外，在結構選型時也要考慮主體結構的維護成本，例如防腐涂裝、防火、防水等。

綜上，由于大跨度多層鋼結構的受力情況比較復雜，要求設計師對結構形式科學評估、合理進行布置，保證建筑的整體性和安全適用性。

2 大跨度多層鋼結構廠房的應用實例

2.1 工程概況

某項目位于烏魯木齊市，目前已完成工程建設。工程主要建筑功能為物流倉儲，抗震設防烈度8°，基本地震加速度0.20g，設計分組第二組，場地類別Ⅱ類；基本風壓0.60KN/m，基本雪壓1.00 KN/m（按重現期100 年采用）；鋼框架抗震等級為三級。根據地勘報告，本工程場地所在地形平坦，地質條件較好，基礎以未擾動的卵石層為持力層，天然承載力較高，未發現不良地質作用。

2.2 結構布置及選型

該項目中物流倉儲車間長度192m，寬度51.9m，房屋高度19.7m，一層建筑面積11 634.91m，屋頂采用壓型鋼板雙坡屋面。本工程采用中國建筑科學研究院PKPM 系列軟件，考慮建筑分兩層、局部夾層和長懸挑雨篷的布局需要，建立了鋼框架-輕鋼屋面體系的模型進行計算：同時，結合建筑使用需求，保證較大并且暢通的內部空間，將柱距布置為7m，跨度25m，局部設置夾層；將鋼框柱均勻設置在不影響建筑使用的位置、隱藏在建筑墻體內或拐角處，力求車間的美觀性。

本工程混凝土強度等級設計：基礎、基礎短柱、基礎梁和樓板均采用C30 混凝土，根據當地要求執行《烏建發[2014]47號》文件，基礎工程需采用高性能混凝土，并符合文件中所要求的防腐做法。鋼構件強度等級設計：主體鋼框架（包含次梁、雨篷梁）采用Q355B 材質，支撐系統采用Q235B 材質，墻梁、檁條采用Q355A，其他圍護構件如拉條、撐桿、隅撐采用Q235A 材質。主體鋼架框柱采用矩形截面，使建筑整體具有更好的承載力和足夠的剛度；局部夾層鋼柱在滿足承載力的要求下考慮經濟實用性，主要采用工字型截面，樓梯間處采用矩形截面提高安全性；鋼框梁、鋼次梁布置為工字型變截面或工字型截面。

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2.3 設計重點及難點

2.3.1 結構超長處理措施

根據使用要求，建筑平面尺寸遠超規范中關于鋼結構的溫度區段長度最大要求，結構設計在滿足建筑功能的前提下，應優先考慮設置結構伸縮縫。本項目沿結構長度方向，按照《規范》要求計算，居中設置一道伸縮縫：凈距150mm。

當采用混凝土樓面屋面時，應盡量避免和減少超長結構在施工及使用過程中產生裂縫，在設計階段通常采取以下措施：考慮溫度變化及降低混凝土收縮影響方面的原因，設置溫度后澆帶；沿結構長度方向設置雙層配筋等。故本項目在二層樓板（樓板材料為壓型鋼板鋼筋混凝土）設置兩道膨脹加強帶。

2.3.2 結構抗震設計注意事項

大跨度鋼結構廠房的層高較高、跨度較大，其結構抗震等級和抗震措施等要求應在滿足《抗規》及《標準》的前提下，關注結構的抗震性能設計，例如結構布置做到平面規整，合理簡化結構體系，梁柱中心線盡量重合一致，加強鋼結構構件的支撐，保證抗震概念設計，滿足結構整體穩定性。

本項目考慮建設地點處于高烈度區，設計采用Q355B 高強度鋼：柱截面采用方型鋼，根據計算要求其截面寬度取值為400～600mm 不等；梁截面采用H 型鋼，考慮經濟適用性并根據計算要求采用變截面形式，如圖2 所示。并且根據建筑使用需要，在3.700m 標高處圍繞廠房一周設置了6.350m 長的懸挑雨篷，依據《抗規》內容該雨篷為長懸臂結構：該雨篷在結構設計時根據《抗規》第5.3.3 條要求，對此類構件計算豎向地震作用，豎向地震效用取該結構、構件重力荷載代表值的10%計算。具有長懸臂特征的鋼結構設計應盡量做到結構形式簡潔、傳力路徑明確，在滿足抗震計算要求的同時力求建筑表達美觀，因此懸臂梁采用Q335 材質H 型變截面鋼，并在平面布置交叉系桿，以提高構件剛度和撓度，如圖3、圖4 所示。

圖2 廠房某一單元中跨屋面鋼架結構布置圖

圖3 雨篷剖面圖

圖4 雨篷局部結構布置圖

2.3.3 安全性、舒適性問題

本項目由于建筑的使用需求，其設計跨度較大、建設地點百年基本雪荷載較重，應當在結構設計階段充分考慮建筑物在使用過程中的荷載分布情況，控制結構位移；本項目有局部夾層的設計，因此需要增大平面剛度，例如局部樓板加厚，以保證結構的承載力，并且有一定的結構安全冗余度。

2.3.4 屋架體系

對于大跨度鋼結構體系而言，屋架無疑也是設計的重點。在屋架系統中，除了鋼框梁構成的基本骨架，還包含其他構件：系桿，水平支撐以及屋面檁條、隅撐等，這些桿件的組合軸力承擔起了屋蓋的荷載，比如雪荷載、風荷載、地震力等，并且減小了屋蓋的計算跨度，增大了內力，提高了屋蓋系統的整體穩定性。

本項目考慮建筑長度的超長設計、結構伸縮縫的布置和跨度大的特點，故沿邊跨、跨中在長度和寬度方向分別設置了八道支撐，并設置了連續系桿，形成了幾何不變體系，如圖5 所示；檁條在布置時，應盡量連續布置，并保證每側的搭接長度，在屋脊和屋檐需要加強處連續布置斜拉條。同時，還設置了柱間支撐，將縱向水平荷載力傳遞到下部基礎，提高了結構體系側向剛度。

圖5 屋蓋結構布置

2.3.5 建筑高窗及通風的設計

為增加建筑的透明性，保證廠房擁有較好的通風與采光，使建筑內部空間更能體現出藝術效果，采用了側高窗的設計，如圖6 所示。結構的圍護結構采用輕質材料，由檁條、鋼桁架和輕保溫層組成，該輕質圍護材料有利于減輕結構重量及地震作用，如圖7 所示，在光線和結構的組合下建筑物將更具有美感與結構邏輯。

圖6 建筑外立面高窗效果

圖7 結構墻面檁條、窗柱等布置

2.3.6 鋼結構防腐蝕、防火措施

鋼結構的抗火性能差和特殊的電化學腐蝕性是該材質的劣勢。例如鋼結構建筑在出現火災時，鋼結構會迅速升溫，除了結構的自身內力、外力荷載，在升溫過程中與溫度荷載共同作用，對鋼結構產生變形和位移，甚至出現結構的坍塌，從而導致較大的經濟損失，可能出現人員傷亡等不可估量的危險。鋼結構的電化學腐蝕過程會不斷損耗鋼材料本身，破壞構件的正常承載力；大氣環境中的溫度、濕度變化，風沙和雨雪，甚至氧氣，都是造成鋼結構腐蝕不可忽視的因素；考慮經濟適用性和長效性，通常以表面刷漆、噴涂涂層作為防腐措施應用得最為廣泛。本工程按照規范要求，所有鋼材均應采用噴砂、拋丸等方法除銹，并且在規定時限內進行涂裝?？刹捎脽o機富鋅底漆、環氧云鐵中間漆、丙烯酸聚氨酯面漆、包裹混凝土、鍍鋅等防腐措施。

3 結語

鋼結構由于具有突出優勢，在工業、倉儲等建設中得到了越來越廣泛的應用，在設計行業也受到了愈廣泛的關注。大跨度鋼結構廠房在很大程度上讓建筑在性能上有所增強，其適用性和建筑使用功能得到更大的發揮。綜上，本文根據大跨度鋼結構廠房的特點優勢及其設計要點展開了相關分析，并通過建筑使用功能為倉儲物流車間的大跨度鋼結構體系工程項目為背景，對其結構選型、結構設計、計算分析過程進行闡述和探討，詳細展開了其設計的重難點、相關措施和建議，為今后工程設計提供借鑒參考。展望未來，大量的建筑采用鋼結構體系設計，加強對鋼結構體系的設計研究，提高設計質量，能夠更好地響應國家碳中和、碳達峰、節能減排、綠色建筑的目標，為國家建設服務。